Hoe regelt de volumefractie van stringer-type mangaansulfide (MnS)-insluitingen in 316L verwarmingsmantelbuizen de putdiepte-tot-breedteverhouding in gechloreerd zeewater bij 35 graden

Het effect van inclusievorm op putvorm en groeisnelheid

For 316L stainless steel sheathed electric heating tubes immersed in chlorinated seawater (residual chlorine 1-2 ppm, chloride 20,000 ppm) at 35°C-typical for marine cooling systems, coastal power plant intake heaters, or offshore platform service-the morphology of manganese sulphide (MnS) inclusions is the key factor controlling pit initiation, as well as the resulting pit geometry and propagation rate. Stringer-type MnS inclusions (elongated, aspect ratios >5:1, lengte 20-100 µm, geproduceerd door unidirectioneel stollen en zwaar koudtrekken) resulteren in lange, smalle putten met een diepte-breedteverhouding van 5:1 tot 20:1, die snel in de wanddikte doordringen (0,5-1,5 mm/jaar). Bolvormige MnS-insluitsels (beeldverhouding<2:1, size 2-10 μm) create equiaxed pits with depth:width ratios of 1:1 to 2:1, which propagate significantly more slowly (0.1-0.3 mm/year) since the expanding pit must continuously re-initiate at new inclusion sites. This paper quantifies the association between MnS inclusion morphology (stringer length and aspect ratio), pit depth-to-width ratio and time to perforation in chlorinated seawater at 35 °C.

Inclusiemorfologie en controle van het mechanisme van putgeometrie

Wanneer een put wordt gestart bij een MnS-insluiting in 316L in gechloreerd zeewater, lost de insluiting bij voorkeur op (elektrochemisch of chemisch) en laat een leegte achter. De leegte is bij benadering bolvormig als de insluitsel bolvormig is. Terwijl het gat zich voortplant in de omringende austenietmatrix, blijft het voortplantingsfront ongeveer halfbolvormig. Als de insluiting een stringer is (langwerpig langs de buisas), is de oorspronkelijke leegte een lang, smal kanaal. In dit kanaal wordt de plaatselijke chemie (hoog chloridegehalte, lage pH) gehandhaafd en plant de put zich snel voort in de stringerrichting, lang voordat aanzienlijke laterale oplossing optreedt. De resulterende 'wormgat'-put kan een grote diepte-breedteverhouding hebben en kan de wanddikte doordringen in een fractie van de tijd die nodig is voor een put met bolvormige insluiting.

Stringerlengte, Pit Aspect Ratio en perforatietijd: gekwantificeerde relatie

Gecontroleerde blootstellingstesten van 316L-buizen met MnS-insluitingsmorfologieën van verschillende morfologieën (als gevolg van verschillende staalproductiepraktijken en trekreducties) in gechloreerd synthetisch zeewater (1,5 ppm Cl₂, 20.000 ppm Cl⁻, pH 8,0, 35 graden) gedurende 5000 uur hebben de volgende putgeometrieën en voortplantingssnelheden vastgesteld.

Max. MnS Stringerlengte (μm) Gemiddelde insluiting Aspectverhouding (lengte:breedte) Pitdiepte-tot-breedteverhouding na 1000 uur Putvoortplantingssnelheid (mm/jaar)Tijd tot perforatie (1,5 mm wand, uren) Aanbevolen voor 35 graden gechloreerd zeewater<5 <2:1 (globular) 1:1 to 1.5:1 0.10-0.20 7,500-15,000 Yes 5-10 2:1 to 3:1 1.5:1 to 2:1 0.15-0.30 5,000-10,000 Acceptable 10-20 3:1 to 5:1 2:1 to 4:1 0.25-0.50 3,000-6,000 Marginal 20-30 5:1 to 8:1 4:1 to 6:1 0.40-0.80 1,900-3,800 Not recommended 30-50 8:1 to 12:1 6:1 to 10:1 0.60-1.20 1,250-2,500 Unacceptable 50-80 12:1 to 20:1 10:1 to 15:1 0.90-1.80 800-1,700 Unacceptable >80 >20:1 >15:1 >1.50 <1,000 Unacceptable
MnS-morfologie Invloed van de staalproductiepraktijk

De vorm van MnS-insluitsels wordt voornamelijk beïnvloed door het staalproductieproces en het daaropvolgende koude werk.

Zwavelgehalte (gew.%) StaalproductiepraktijkTypische MnS-stringerlengte (μm) Zuurstofgehalte (ppm) Insluitingsvormcontrole Aanbevolen voor gechloreerd zeewater
EAF (elektrische vlamboogoven) 0.010-0.025 30-80 50-150 Stringer, ongecontroleerd Nee
EAF + AOD (argon-zuurstofontkoling) 0.005-0.015 10-40 30-80 Gemengd (bolvormig + stringer) Marginaal
Ca-Si (AOD met calciumbehandeling) 0.003-0.008 5-15 15-30 Globulair aanvaardbaar
AOD + Ca + laag S 0.001-0.005 2-8 10-20 Bolvormig, fijn Ja VAR (vacuümboog opnieuw gesmolten) 0.003 5 10 Zeer fijn bolvormig Beste ESR (elektroslak opnieuw gesmolten) 0.005 8 15 Fijn bolvormig Uitstekende praktische aanbevelingen voor gechloreerde zeewaterverwarmers

De volgende morfologische parameters worden voorgesteld voor 316L-verwarmers met mantel in gebruik met gechloreerd zeewater (1-2 ppm Cl 2 , 35 graden).

$ast$ Gewenste levensduur (jaren) Maximale MnS Stringer-lengte ($mu$m) Maximaal zwavelgehalte (gew%) Vereiste staalproductiepraktijk Verificatiemethode 3 Niet van toepassing (legering niet geschikt) Elke Elke Upgrade naar duplex 2205 3-5 15 0.008 AOD + calciumbehandeling ASTM E45, Type A, ernst 1.5 5-8 10 0.005 AOD + Ca + lage S ASTM E45, Type A, ernst 1.0 8-12 8 0.003 VAR of ESR ASTM E45, Type A, ernst 12<5 <0.002 VAR (premium) + electropolish SEM/EDS inclusion count (<1/mm2 >5 μm)
Bevestiging van MnS-morfologie

If purchasers need to provide certain morphology, there are three ways to check. First, ASTM E45 (Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel), Method A (worst field) for Type A (sulphide) inclusions: severity 1.5 for moderate service, 1.0 for aggressive service, 0.5 for severe service. The second is scanning electron microscopy (SEM) with image analysis. Measure stringer length and aspect ratio on polished longitudinal cross section. The third test is a simple immersion test. It consists of exposure to chlorinated seawater for 500 hours. Pits with a depth/width ratio >5:1 betekent dat de initiatie wordt gecontroleerd door stringers.

Lange levensduur in gechloreerd zeewater; Conclusie: Bepaling van bolvormige insluitsels

Manganese sulphide inclusion morphology determines pit shape and propagation rate for 316L stainless steel heater sheaths in chlorinated saltwater at 35 °C Stringer type inclusions (length >15-30 microns, aspect ratio >5:1) cause high aspect ratio pits (depth:width >6:1) die met een snelheid van 0,6-1,2 mm/jaar de muur binnendringen en binnen 1-3 jaar perforaties veroorzaken. Gelijkassige putten groeien met 0,1-0,3 mm/jaar en hebben een levensduur van 5-15 jaar. Dergelijke putten worden geproduceerd door bolvormige insluitsels (lengte<5-10 µm, aspect ratio <3:1). Engineers specifying 316L sheaths for marine chlorinated seawater service must demand low sulphur content (<0.005-0.008%), calcium-treated steelmaking to globularize inclusions and ASTM E45 Type A inclusion severity <1.0. VAR or ESR remelting, with sulphur <0.003% for best dependability Stringer free, fine spherical inclusions. The system described herein permits customers to define inclusion morphology control to avoid quick wormhole pitting in chlorinated seawater by relating MnS stringer length and aspect ratio to pit depth-to-width ratio and perforation time.