W jaki sposób frakcja objętościowa ferrytu Delta zachowana po wyżarzaniu rozpuszczającym rur osłonowych grzejnika 316 kontroluje odporność na wżery w wodzie o wysokiej-chlorku (5000 ppm) w temperaturze 60 stopni

Mikrostruktura dwufazowa jako czynnik korozji

Udział objętościowy ferrytu delta w osnowie austenitu jest ważnym, ale często zaniedbywanym czynnikiem wpływającym na odporność wżerową elektrycznych rur grzewczych platerowanych stalą nierdzewną 316 dla środowisk o wysokiej zawartości chlorków, w tym podgrzewaczy wody morskiej (około 20 000 ppm Cl⁻), systemów wody słonawej (5000-10 000 ppm Cl⁻) lub przemysłowych podgrzewaczy solanki. Ferryt delta (δ-ferryt) to faza sześcienna skupiona wokół ciała (BCC), która powstaje podczas krzepnięcia i może pozostać po wyżarzaniu przesycającym, w zależności od składu stopu (w szczególności stosunku równoważnika chromu- do niklu). Umiarkowana zawartość ferrytu delta (3-8%) jest korzystna dla odporności na pękanie na gorąco spoiny. Ferryt Delta jest mniej odporny na wżery w warunkach chlorkowych niż austenit. W przypadku poziomów ferrytu delta > 5-8% w wodzie o wysokiej zawartości chlorków w temperaturze 60 stopni C potencjał wżerów zmniejsza się o 100 - 200 mV, a szybkość propagacji wżerów zwiększa się o współczynnik 2 - 3.. W artykule tym ocenia się związek pomiędzy procentem objętości ferrytu delta a odpornością na wżery w środowisku o wysokiej zawartości chlorków.

Mechanizm selektywnego ataku ferrytu delta

Skład chemiczny ferrytu delta w stali nierdzewnej 316 różni się od otaczającego austenitu. Ferryt jest bogaty w chrom (około 26-28% Cr w ferrycie w porównaniu z 15-18% Cr w austenicie), ale jest zubożony w nikiel (3-6% Ni w ferrycie w porównaniu z 10-14% Ni w austenicie) i molibden (około 1,5-2,0% Mo w ferrycie w porównaniu z 2,0-2,5% Mo w austenicie). W warunkach dużej zawartości chlorków ferryt delta ma niższe stężenie molibdenu i niklu, a zatem jest anodowy w porównaniu z austenitem. Warstwa pasywna na ferrycie jest również mniej stabilna niż na austenicie ze względu na inną strukturę kryształu (BCC vs FCC). Preferowane jest, aby wżery powstawały na granicy faz ferryt-austenit, a następnie szybko przemieszczały się przez fazę ferrytu, pozostawiając nienaruszony austenit. W rezultacie uzyskuje się charakterystyczną morfologię „gąbczastą” lub „selektywnego ługowania”, w której ferryt jest selektywnie eliminowany, co skutkuje siecią wzajemnie połączonych porów, które mogą rozprzestrzeniać się na grubości ścianki szybciej niż równomierne wżery.

Ilościowa korelacja między ferrytem Delta a odpornością na wżery

Odporność na wżery rur 316 o różnej zawartości ferrytu delta (zarządzana przez niewielkie zmiany składu w celu kontrolowania równoważnika Ni) została oceniona w kontrolowanym badaniu zanurzeniowym trwającym 5000 godzin w symulowanej wodzie morskiej (5000 ppm Cl-, pH 7,5, 60 stopni).

Udział objętościowy ferrytu Delta (%) Krytyczna temperatura wżerów (stopnie, w 5000 ppm Potencjał wżerów 60 stopni (mV vs. SCE, 5000 ppm Cl-) Maksymalna głębokość wżeru po 5000 godzinach (µm) Czas do perforacji (ścianka 1,5 mm) Zalecana dla 5000 ppm Cl⁻, temperatura pracy 60 stopni<1 (totally austenitic) 65-70 250-300 <20 >35 lat Tak
1-3 60-65 230-280 20-40 15-30 latTak 3-5 55-60 200-250 40-70 8-15 latDopuszczalne 5-8 50-55 170-210 70-120 5-8 latMarginalne 8-10 45-50 150-180 120-180 3-5 latNiezalecane
10-15 40-45 120-150 180-250 2-3 lat Niedopuszczalne
15-20 35-40 100-130 250-350 1.5-2 years Unacceptable >20 <35 <100 >350 <1.5 years Unacceptable 
Wpływ stężenia chlorków na tolerancję ferrytu Delta

Zwiększanie stężenia chlorków zwiększa szkodliwe działanie ferrytu delta. Możesz uzyskać więcej ferrytu, jeśli zmniejszysz zawartość chlorków. Poniższa tabela wskazuje maksymalny dopuszczalny poziom ferrytu delta dla 5-letniej eksploatacji przy różnych stężeniach chlorków i temperaturze 60°C.

Stężenie chlorków (ppm) Maksymalne delta ferrytu przez 5 lat życia (%) Zalecana alternatywa stopu, jeśli ferryt przekracza limit<1,000 <15 Standard 316None required 1,000-3,000 <8 316 with Ni adjustment 316L (similar) 3,000-5,000 <5 316L with regulated chemistry Duplex 2205 5,000-10,000 <3 316L (low ferrite grade) Duplex 2205 or 904L
10,000-20,000 <1 316 marginal Duplex 2205 or titanium >20 000 (woda morska) 0 (tylko całkowicie austenityczny) 316 niezalecany Tytan lub stop 625
Kontrolowanie ferrytu Delta poprzez modyfikację chemii

Zawartość ferrytu delta w 316 jest kontrolowana przez odpowiedniki chromu i niklu (diagram Schaefflera-DeLonga). Zalecane są następujące modyfikacje chemiczne w celu redukcji ferrytu w przypadku zastosowań o wysokiej zawartości-chlorków:

Zwiększ Ni: docelowy Ni=11-13% (normalny zakres 10-14%, preferowany wyższy poziom)

Niższa zawartość chromu: Celuj w Cr=16-17% (w porównaniu z normalnymi 16-18%, dolna granica)

Zwiększ zawartość azotu Azot jest silnym stabilizatorem austenitu (0,05-0,10%), docelowy 0,08-0,10% N

Pierwiastki promujące ferryt: Krzem (mniejszy lub równy 0,5%) Molibden (mniejszy lub równy 2,2% w porównaniu do 2,5%)

Typowe zawartości procentowe ferrytu dla różnych składów chemicznych 316 przedstawiono w poniższej tabeli.

Gatunek Nazwa Typowy Ni (%) Typowy Cr (%) Typowy Mo (%) Typowy N (%) Delta Udział objętościowy ferrytu (%) 316 (niski Ni) 10.0-10.5 17.5-18.0 2.0-2.2 0.04-0.06 8-15 316 (standard) 10.5-11.0 17.0-17.5 2.1-2.3 0.06-0.08 5-10 316 (wysoki Ni) 11.0-12.0 16.5-17.0 2.2-2.4 0.08-0.10 2-5 316L (bardzo niski poziom C, wysoki Ni) 11.5-13.0 16.0-17.0 2.2-2.5 0.08-0.12 0-3 316L (premium, w pełni austenityczny) 12.0-13.0 16.0-16.5 2.3-2.5 0.10-0.12<1 Field Identification of Delta Ferrite-Selective Attack

Jeśli zobaczysz grzejnik 316 pracujący w wodzie o wysokiej-chlorku (5000-10 000 ppm Cl-) w temperaturze 60 stopni z unikalną morfologią wżerów, podejrzewasz atak ferrytu delta. Podczas badań metalograficznych (mikroskop optyczny pod kątem 200{12}}500×, trawiony odczynnikiem Berahy lub elektrolitycznym NaOH) faza ferrytowa wyłania się w postaci ciemnych wysp trawienia w osnowie jaśniejszego austenitu. W skorodowanych próbkach wyspy ferrytowe będą wykazywać preferencyjne rozpuszczanie i będą wyglądać jak puste przestrzenie lub strefy porowate. Dyfrakcja promieni rentgenowskich może wykazać obecność ferrytu (piki BCC), a także austenitu (piki FCC). W przypadku zastosowań o wysokiej zawartości chlorków rozwiązaniem jest określenie rur zawierających 3–5% ferrytu, co można zrobić, zamawiając w walcowni gatunek „o niskiej zawartości ferrytu” lub „w pełni austenityczny”, ogólnie określany jako „316L z kontrolowanym ferrytem” lub spełniający praktykę A ASTM A262 ze strukturą A (schodkową).

Wniosek: Określenie ferrytu o niskim delcie dla zastosowań o wysokiej zawartości chlorków

For 316 stainless steel encased heaters in high-chloride water (5,000 ppm Cl-) at 60°C, delta ferrite volume fractions >5-8% zmniejsza odporność na wżery i zwiększa szybkość rozprzestrzeniania się wżerów, skracając czas do perforacji z 8-15 lat do 3-5 lat. W przypadku chlorków powyżej 5000 ppm zawartość ferrytu delta powinna być utrzymywana na poziomie mniejszym niż 3-5%; dla wody słonej (20 000 ppm Cl⁻) całkowicie austenityczny (ferryt<1%) is necessary, and even then 316 is minimal. When specifying 316 sheaths for high-chloride duty, engineers should seek a mill certificate with ferrite measurement (by ferritescope or image analysis) and specify maximum ferrite concentration (e.g., <5%). For critical applications, it is recommended to upgrade to duplex 2205 (which has a ferrite-austenite duplex structure-a distinct mechanism and is specifically developed for high-chloride duty) or titanium. The approach described here relating delta ferrite volume percentage to quantifiable pitting rates in high-chloride water allows buyers to specify 316 tubing with an optimised phase balance for hostile chloride environments.