Hur bibehålls volymfraktionen av deltaferrit efter lösningsglödgning av 316 värmemantelrör kontrollerar gropbildningsmotstånd i hög-klorid (5 000 ppm) vatten vid 60 grader

Dubbelfasmikrostrukturen som korrosionsfaktor

Volymfraktionen av kvarhållen deltaferrit i austenitmatrisen är en viktig men ofta försummad faktor i gropmotståndet hos elektriska värmerör beklädda med 316 rostfritt stål för miljöer med hög kloridhalt, inklusive havsvattenvärmare (cirka 20 000 ppm Cl⁻), brackvattensystem ({0}0 ppm, Cl⁻) eller industriella brinevärmare. Deltaferrit (δ-ferrit) är en kroppscentrerad kubisk (BCC) fas som bildas under stelning och kan finnas kvar efter lösningsglödgning beroende på legeringens sammansättning (särskilt förhållandet krom-till-nickel). Måttligt deltaferritinnehåll (3-8%) är gynnsamt för beständighet mot hetsprickbildning vid svetsning. Deltaferrit är mindre resistent mot gropfrätning under kloridförhållanden än austenit. För deltaferritnivåer > 5-8 % i vatten med hög kloridhalt vid 60 grader C, minskas gropbildningspotentialen med 100 - 200 mV och gropförökningshastigheten ökas med en faktor på 2 - 3. Detta dokument bedömer sambandet mellan deltaferritvolymprocent och gropfrätningsmotstånd vid hög kloriddrift.

Mekanism för selektiv deltaferritattack

Den kemiska sammansättningen av deltaferrit i 316 rostfritt stål är skild från den omgivande austeniten. Ferrit är rikligt med krom (cirka 26-28% Cr i ferrit jämfört med 15-18% Cr i austenit) men utarmat på nickel (3-6% Ni i ferrit jämfört med 10-14% Ni i austenit) och molybden (cirka 0% Mo-2% ferrit. Mo i austenit). Under förhållanden med hög kloridhalt har deltaferrit en lägre koncentration av molybden och nickel, och är därför anodiskt i förhållande till austenit. Den passiva filmen på ferrit är likaså mindre stabil än på austenit på grund av den olika kristallstrukturen (BCC vs FCC). Företräde för gropar att härröra från ferrit-austenitfasgränsen och sedan snabbt färdas genom ferritfasen och lämnar austeniten intakt. Som ett resultat erhålls en karakteristisk "svampig" eller "selektiv urlakning" morfologi där ferrit elimineras selektivt, vilket resulterar i ett nätverk av sammankopplade porer som kan fortplanta sig över väggtjockleken snabbare än enhetlig gropbildning.

Kvantitativ korrelation mellan deltaferrit och gropfrätningsmotstånd

Gropprestanda för 316-rör med olika deltaferritinnehåll (hanteras av små sammansättningsvariationer för att kontrollera Ni-ekvivalenten) har utvärderats genom 5 000 timmars kontrollerad nedsänkningstestning i simulerat havsvatten (5 000 ppm Cl-, pH 7,5, 60 grader).

Deltaferritvolymfraktion (%) Kritisk gropningstemperatur ( grad , i 5 000 ppm gropbildningspotential 60 grader (mV vs. SCE, 5 000 ppm Cl-) Maximalt gropdjup efter 5 000 timmar (µm) Tid till perforering (1,5 mm för 5 ppm vägg, 0,0 mm rekommenderad vägg) 60 graders service<1 (totally austenitic) 65-70 250-300 <20 >35 år Ja
1-3 60-65 230-280 20-40 15-30 årJa 3-5 55-60 200-250 40-70 8-15 år Godkänt 5-8 50-55 170-210 70-120 5-8 årMarginal 8-10 45-50 150-180 120-180 3-5 årRekommenderas inte
10-15 40-45 120-150 180-250 2-3 år Ej tillåtet
15-20 35-40 100-130 250-350 1.5-2 years Unacceptable >20 <35 <100 >350 <1.5 years Unacceptable 
Effekt av kloridkoncentration på deltaferrittolerans

Ökning av kloridkoncentrationen ökar den skadliga effekten av deltaferrit. Du kan få mer ferrit om du minskar kloridhalten. Tabellen nedan anger maximalt tillåten deltaferrit för 5-års drift vid olika kloridkoncentrationer och vid 60 grader.

Kloridkoncentration (ppm) Maximal Delta Ferrit under 5 års livslängd (%) Rekommenderat legeringsalternativ om ferrit överskrider gränsen<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 (havsvatten) 0 (endast helt austenitisk) 316 rekommenderas inte Titan eller Alloy 625
Kontroll av deltaferrit genom att modifiera kemi

Deltaferrithalten i 316 styrs av krom- och nickelekvivalenter (Schaeffler-DeLong-diagram). Följande kemimodifieringar rekommenderas för att minska ferrit för hög-kloridhalt:

Öka Ni: mål Ni=11-13% (normalt intervall 10-14 %, högre ände föredras)

Lägre krominnehåll: Sikta på Cr=16-17% (jämfört med normala 16-18%, low end)

Öka kvävehalten Kväve är en kraftfull austenitstabilisator (0,05-0,10%), mål 0,08-0,10% N

Ferritfrämjande element: Kisel (Mindre än eller lika med 0,5%) Molybden (Mindre än eller lika med 2,2% jämfört med 2,5%)

Typiska ferritprocenter för olika 316-kemier visas i tabellen nedan.

Klassnamn Typisk Ni (%) Typisk Cr (%) Typisk Mo (%) Typisk N (%) Deltaferritvolymfraktion (%) 316 (lågt 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 (högt Ni) 11.0-12.0 16.5-17.0 2.2-2.4 0.08-0.10 2-5 316L (extra lågt C, högt Ni) 11.5-13.0 16.0-17.0 2.2-2.5 0.08-0.12 0-3 316L (premium, helt austenitisk) {{5}<1 Field Identification of Delta Ferrite-Selective Attack

Om du ser en 316-värmare som arbetar i hög-kloridvatten (5000-10 000 ppm Cl-) vid 60 grader med unik gropbildningsmorfologi, misstänk deltaferritangrepp. Under metallografisk undersökning (optiskt mikroskop vid 200-500×, etsat med Berahas reagens eller elektrolytisk NaOH) kommer ferritfasen fram som mörka etsande öar i den ljusare austenitmatrisen. I de korroderade proverna kommer ferritöarna att uppvisa preferentiell upplösning och kommer att visas som tomrum eller porösa zoner. Röntgendiffraktion kan visa närvaron av ferrit (BCC-toppar) såväl som austenit (FCC-toppar). För högkloridservice är svaret att specificera slangar med 3-5 % ferrit, vilket kan göras genom att begära en "låg ferrit" eller "helt austenitisk" kvalitet från bruket, allmänt betecknad som "316L med kontrollerad ferrit" eller uppfylla ASTM A262 praxis A med A (steg) struktur.

Slutsats: Specificering av Low Delta Ferrite för applikationer med hög kloridhalt

For 316 stainless steel encased heaters in high-chloride water (5,000 ppm Cl-) at 60°C, delta ferrite volume fractions >5-8% minskar motståndet mot gropfrätning och ökar gropförökningshastigheten, vilket minskar tiden till perforering från 8-15 år till 3-5 år. För klorider över 5 000 ppm bör deltaferrit hållas på mindre än 3-5 %; för saltvatten (20 000 ppm Cl⁻) helt austenitisk (ferrit<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.