Hoe wordt de volumefractie van het deltaferriet behouden na oplossingsgloeien van 316 verwarmingsmantelbuizen om de weerstand tegen putjesvorming in hoog- chloorwater (5.000 ppm) bij 60 graden te controleren

De tweefasige microstructuur als corrosiefactor

De volumefractie van vastgehouden deltaferriet in de austenietmatrix is ​​een belangrijke maar vaak verwaarloosde factor in de putweerstand van elektrische verwarmingsbuizen bekleed met 316 roestvrij staal voor omgevingen met een hoog chloridegehalte, inclusief zeewaterverwarmers (ongeveer 20.000 ppm Cl⁻), brakwatersystemen (5.000-10.000 ppm Cl⁻) of industriële pekelverwarmers. Deltaferriet (δ-ferriet) is een lichaamsgecentreerde kubieke (BCC) fase die wordt gevormd tijdens het stollen en kan achterblijven na oplossingsgloeien, afhankelijk van de legeringssamenstelling (met name de chroom--nikkel-equivalentverhouding). Een matig delta-ferrietgehalte (3-8%) is gunstig voor de weerstand tegen heetscheuren bij het lassen. Deltaferriet is minder bestand tegen putcorrosie onder chlorideomstandigheden dan austeniet. Voor delta-ferrietniveaus > 5-8% in water met een hoog chloridegehalte bij 60 °C wordt het putpotentiaal verlaagd met 100 - 200 mV en wordt de voortplantingssnelheid van de put verhoogd met een factor 2 - 3.. In dit artikel wordt het verband beoordeeld tussen het volumepercentage van het delta-ferriet en de putweerstand bij gebruik met een hoog chloridegehalte.

Mechanisme van selectieve delta-ferrietaanval

De chemische samenstelling van deltaferriet in roestvrij staal 316 verschilt van het omringende austeniet. Ferriet is overvloedig aanwezig in chroom (ongeveer 26-28% Cr in ferriet vergeleken met 15-18% Cr in austeniet), maar is verarmd aan nikkel (3-6% Ni in ferriet vergeleken met 10-14% Ni in austeniet) en molybdeen (ongeveer 1,5-2,0% Mo in ferriet vergeleken met 2,0-2,5% Mo in austeniet). In omstandigheden met een hoog chloridegehalte heeft deltaferriet een lagere molybdeen- en nikkelconcentratie, en is daarom anodisch ten opzichte van austeniet. De passieve film op ferriet is eveneens minder stabiel dan op austeniet vanwege de verschillende kristalstructuur (BCC versus FCC). Bij voorkeur ontstaan ​​putten op de ferriet-austeniet-fasegrens en reizen ze vervolgens snel door de ferrietfase, waarbij het austeniet intact blijft. Als gevolg hiervan wordt een karakteristieke "sponsachtige" of "selectieve uitlogings"-morfologie verkregen waarin ferriet selectief wordt geëlimineerd, wat resulteert in een netwerk van onderling verbonden poriën die zich sneller over de wanddikte kunnen voortplanten dan uniforme putjes.

Kwantitatieve correlatie tussen deltaferriet en putweerstand

De putprestaties van 316-buizen met verschillende delta-ferrietgehalten (beheerd door kleine variaties in de samenstelling om het Ni-equivalent te controleren) zijn geëvalueerd door middel van gecontroleerde onderdompelingstests van 5.000 uur in gesimuleerd zeewater (5.000 ppm Cl-, pH 7,5, 60 graden).

Delta-ferrietvolumefractie (%) Kritische puttemperatuur ( graden , in 5.000 ppm Putpotentieel 60 graden (mV vs. SCE, 5.000 ppm Cl-) Maximale putdiepte na 5.000 uur (μm) Tijd tot perforatie (1,5 mm wand) Aanbevolen voor 5.000 ppm Cl⁻, 60 graden service<1 (totally austenitic) 65-70 250-300 <20 >35 jaar Ja
1-3 60-65 230-280 20-40 15-30 jaarJa 3-5 55-60 200-250 40-70 8-15 jaarAcceptabel 5-8 50-55 170-210 70-120 5-8 jaarMarginaal 8-10 45-50 150-180 120-180 3-5 jaarNiet aanbevolen
10-15 40-45 120-150 180-250 2-3 jaar Niet acceptabel
15-20 35-40 100-130 250-350 1.5-2 years Unacceptable >20 <35 <100 >350 <1.5 years Unacceptable 
Effect van chlorideconcentratie op deltaferriettolerantie

Het verhogen van de chlorideconcentratie vergroot het schadelijke effect van deltaferriet. U kunt meer ferriet verkrijgen als u het chloridegehalte verlaagt. Onderstaande tabel geeft het maximaal toegestane delta-ferriet weer voor een diensttijd van 5 jaar bij verschillende chlorideconcentraties en bij 60 graden.

Chlorideconcentratie (ppm) Maximale delta-ferriet voor een levensduur van 5 jaar (%) Aanbevolen legeringsalternatief als ferriet de limiet overschrijdt<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 (zeewater) 0 (alleen volledig austenitisch) 316 niet aanbevolen Titanium of legering 625
Beheersing van deltaferriet door de chemie te modificeren

Het deltaferrietgehalte van 316 wordt bepaald door chroom- en nikkelequivalenten (Schaeffler-DeLong-diagram). De volgende chemische aanpassingen worden geadviseerd om ferriet te verminderen voor toepassingen met een hoog-chloridegehalte:

Verhoog Ni: streef Ni=11-13% (normaal bereik 10-14%, hogere klasse heeft de voorkeur)

Lager chroomgehalte: streef naar Cr=16-17% (versus normaal 16-18%, laag)

Stikstofgehalte verhogen Stikstof is een krachtige austenietstabilisator (0,05-0,10%), streefwaarde 0,08-0,10% N

Ferrietbevorderende elementen: Silicium (minder dan of gelijk aan 0,5%) Molybdeen (minder dan of gelijk aan 2,2% vergeleken met 2,5%)

Typische ferrietpercentages voor verschillende 316-chemieën worden weergegeven in de onderstaande tabel.

Typenaam Typisch Ni (%) Typisch Cr (%) Typisch Mo (%) Typisch N (%) Delta-ferriet Volumefractie (%) 316 (laag Ni) 10.0-10.5 17.5-18.0 2.0-2.2 0.04-0.06 8-15 316 (standaard) 10.5-11.0 17.0-17.5 2.1-2.3 0.06-0.08 5-10 316 (hoog Ni) 11.0-12.0 16.5-17.0 2.2-2.4 0.08-0.10 2-5 316L (extra lage C, hoge Ni) 11.5-13.0 16.0-17.0 2.2-2.5 0.08-0.12 0-3 316L (premium, volledig austenitisch) 12.0-13.0 16.0-16.5 2.3-2.5 0.10-0.12<1 Field Identification of Delta Ferrite-Selective Attack

Als u een 316-verwarming ziet werken in water met een hoog-chloorgehalte (5000-10.000 ppm Cl-) bij 60 graden met een unieke putmorfologie, vermoedt u een delta-ferrietaanval. Tijdens metallografisch onderzoek (optische microscoop op 200-500×, geëtst met Beraha's reagens of elektrolytisch NaOH) komt de ferrietfase naar voren als donkere etseilanden in de lichtere austenietmatrix. In de gecorrodeerde monsters zullen de ferrieteilanden preferentiële oplossing vertonen en verschijnen als holtes of poreuze zones. Röntgendiffractie kan de aanwezigheid van ferriet (BCC-pieken) en austeniet (FCC-pieken) aantonen. Voor toepassingen met een hoog chloridegehalte is het antwoord het specificeren van buizen met 3-5% ferriet, wat gedaan kan worden door een "laag ferriet" of "volledig austenitische" kwaliteit aan te vragen bij de fabriek, doorgaans aangeduid als "316L met gecontroleerd ferriet" of door te voldoen aan ASTM A262 Praktijk A met A (stap) structuur.

Conclusie: Specificatie van laag delta-ferriet voor toepassingen met hoog chloridegehalte

For 316 stainless steel encased heaters in high-chloride water (5,000 ppm Cl-) at 60°C, delta ferrite volume fractions >5-8% vermindert de weerstand tegen putcorrosie en verhoogt de voortplantingssnelheid van de put, waardoor de tijd tot perforatie wordt verkort van 8-15 jaar naar 3-5 jaar. Voor chloriden boven 5.000 ppm moet het delta-ferriet op minder dan 3-5% worden gehouden; voor zout water (20.000 ppm Cl⁻) volledig austenitisch (ferriet<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.