Mengapa Tabung Pemanas Listrik Selubung Baja Tahan Karat 316 dengan Permukaan-Anil Pabrik Mengungguli Lapisan Akhir yang Diasamkan atau Dipoles Elektro dalam-Suhu Tinggi-Layanan Oksidasi Air Kemurnian Tinggi Di Atas 250 derajat?

Pemilihan permukaan akhir selubung baja tahan karat 316 dalam sistem yang terkena air bersuhu tinggi, seperti reaktor oksidasi air superkritis (SCWO), sirkuit bantu reaktor air bertekanan (PWR), dan pemanas air umpan boiler ultra-superkritis, memerlukan pembalikan pengetahuan teknik korosi konvensional. Permukaan yang dipoles secara elektro atau diasamkan memberikan ketahanan lubang yang lebih baik pada cairan yang mengandung klorida bersuhu rendah, dengan menghilangkan partikel besi yang tertanam dan cacat film pasif. Namun, pada suhu di atas 250 derajat dalam air dengan kemurnian tinggi (konduktivitas <0,1 µS/cm, oksigen terlarut <10 ppb) mekanisme korosi berubah dari lubang lokal menjadi oksidasi luas dan kemungkinan retak korosi tegangan. Film pasif tipis-kaya kromium yang terbentuk secara spontan pada permukaan anil pabrik (diperoleh melalui anil akhir dalam atmosfer terkontrol atau udara yang diikuti dengan pendinginan udara) memiliki daya rekat, stabilitas termal, dan ketahanan terhadap spalasi yang lebih baik dibandingkan lapisan oksida yang menebal secara artifisial atau dimodifikasi secara kimia yang diperoleh melalui pengawetan atau pemolesan listrik dalam kondisi ini. Makalah ini mengukur perilaku oksidasi selubung baja tahan karat 316 dengan tiga permukaan akhir yang berbeda pada 280-320 derajat dalam air dengan kemurnian tinggi yang mengalami deaerasi dan memberikan informasi pemilihan akhir untuk aplikasi nuklir suhu tinggi dan air superkritis.

Mekanisme Pembentukan Film Oksida Bervariasi berdasarkan Persiapan Permukaan
Deposit oksida asli pada baja tahan karat 316 tumbuh melalui beberapa mekanisme tergantung pada persiapan permukaan setelah pembentukan tabung akhir. Perlakuan panas akhir dilakukan dalam lingkungan pengoksidasi (udara atau campuran nitrogen dengan sedikit oksigen) pada suhu 1010–1120 derajat dan permukaan anil pabrik didinginkan pada laju yang menghasilkan oksida dupleks dengan ketebalan sekitar 50–150 nm. Lapisan luar sebagian besar terdiri dari oksida besi (Fe₂O₃ dan Fe₃O₄ – hematit dan magnetit) sedangkan lapisan dalam kaya akan kromium (Cr₂O₃ atau FeCr₂O₄ spinel). Oksida ini tumbuh pada suhu tinggi yang menghasilkan kisi sempurna yang cocok dengan logam di bawahnya dan regangan sisa yang rendah pada kontak-oksida logam.

Permukaan acar diolah dengan campuran asam nitrat dan asam fluorida setelah anil. Oksida suhu tinggi dihilangkan seluruhnya oleh campuran asam sehingga meninggalkan logam kosong. Kemudian logam tersebut mengalami pasif secara spontan di udara pada suhu sekitar, menghasilkan oksida yang jauh lebih tipis (1,5-3 nm) yang terutama kaya akan kromium-dengan sedikit zat besi. Film pasif tipis ini sangat protektif terhadap serangan klorida pada suhu rendah, namun tidak memiliki stabilitas termal dan ketebalan yang diperlukan untuk layanan oksidasi air suhu tinggi.

Pemolesan elektro adalah pelarutan anodik permukaan dalam elektrolit (biasanya campuran asam fosfat dan asam sulfat) yang melarutkan lapisan tipis logam (20-50 µm) dan menghasilkan permukaan halus dan cemerlang dengan lapisan pasif serupa dengan permukaan acar tetapi lebih diperkaya kromium-. Permukaan yang dipoles secara elektro memiliki kekasaran permukaan terendah (Ra serendah 0,1 µm) dan rasio kromium-terhadap-besi tertinggi dalam film pasif, biasanya 1,8–2,2, dibandingkan dengan 1,2–1,5 untuk permukaan acar dan 0,8–1,0 untuk permukaan anil pabrik.

Perilaku Oksidasi Air Suhu Tinggi pada 280–320 derajat
Uji korosi terkendali dilakukan dalam resirkulasi putaran air dengan kemurnian -tinggi (konduktivitas 0,06 µS/cm, oksigen terlarut 5 ppb, pH 6,5 pada 25 derajat , kecepatan aliran 0,5 m/s) pada 300 derajat hingga 5000 jam. Pengukuran kenaikan berat dan karakterisasi lapisan oksida dengan penggembalaan difraksi sinar X-(GIXRD) dan pemindaian mikroskop elektron memberikan data yang sebanding.

Permukaan Akhir Kekasaran Permukaan Awal Ra (µm) Ketebalan Oksida pada 5000 Jam pada 300 derajat (µm) Spalasi Oksida (penurunan berat akibat pengelupasan, mg/cm²) Kehilangan Logam (penetrasi µm) Pabrik Fase Oksida Dominan-anil (berpendingin udara) 0,6 – 1.2 1.2 – 1,8<0.05 0.8 – 1.2 Spinel (FeCr2O4) + haematite
Magnetit (Fe₃O₄) kromium habis Acar (HNO₃/HF) 0,4 – 0.8 2.2 – 3.1 0.12 – 0.25 1.6 – 2,4
Nodul kaya 0,1 – 0.3 2.8 – 3.8 0.30 – 0.55 2.1 – 3,0 Chromium- yang dipoles secara elektro yang tertanam dalam matriks magnetit
Pabrik-anil + pasca-pemoles (mekanis hingga Ra 0,2 um) 0.2 - 0.3 1.4 - 2.0 0.06 - 0.10 0.9 - 1.4 Spinel + magnetit kecil
Oksida yang paling tipis dan berperekat selalu dihasilkan pada permukaan-penggilingan anil setelah terkena air bersuhu tinggi dalam jangka waktu lama. Perbedaan utamanya adalah struktur awal oksida. Oksida pabrik bersuhu-tinggi menyediakan templat yang mendorong pembentukan fase spinel padat dan kontinu (FeCr₂O₄) selama pengerjaan di masa mendatang. Koefisien ekspansi termal (CTE) spinel adalah sekitar 8,5 × 10⁻⁶/K, yang cocok dengan CTE baja tahan karat 316 (16 × 10⁻⁶/K pada 300 derajat dalam hal perubahan dimensi, tetapi kompatibel secara kristalografi). Sebaliknya, permukaan yang diasamkan dan dipoles secara elektro menghasilkan pembentukan magnetit (Fe3O4) yang memiliki CTE ~ 12 × 10-6 /K, yang menginduksi lebih banyak tekanan termal selama siklus termal dan meningkatkan kecenderungan spalasi.

Kerentanan Retak Korosi Stres pada Air Suhu Tinggi
Permulaan retak korosi tegangan (SCC) pada baja tahan karat 316 dalam air dengan kemurnian-tinggi pada suhu 300–350 derajat didokumentasikan dengan baik-di lingkungan reaktor air mendidih (BWR) dan sangat dipengaruhi oleh permukaan akhir selain oksidasi umum. Spesimen tikungan U-dengan setiap permukaan akhir diuji dengan pengujian laju regangan lambat (SSRT) pada suhu 300 derajat dalam air deaerasi (oksigen terlarut 20 ppb). Kedalaman retakan dan waktu mulai retak SCC diukur.

Waktu Selesai Permukaan hingga Inisiasi SCC (jam, 300 derajat ) Kedalaman Retakan Setelah 2000 Jam (µm) Tegangan Permukaan Residu (MPa) Morfologi Retak
Mill-annealed >3000 (tidak ada inisiasi yang diamati) 0 Tidak ada +25 (tekan)
Acar 1800 – 2400 50 – 90 Intergranular, bercabang +10 (tarik)
Dipoles secara elektro 1100 – 1600 120 – 200Transgranular,tajam +50 hingga +80 (tarik)
Pemolesan elektro menghasilkan peningkatan tegangan sisa tarik pada lapisan permukaan karena perbedaan pelarutan logam yang diberi tekanan dan tanpa tekanan. Tegangan tarik ini (biasanya 50–80 MPa) ditambahkan ke tegangan terapan dan tegangan termal, yang menyebabkan terjadinya SCC. Pengawetan umumnya menghasilkan permukaan yang hampir netral atau sedikit terkompresi, sedangkan mill annealing sering kali menghasilkan permukaan dalam keadaan tegangan tekan ringan karena produksi oksida selama pendinginan. Ketahanan selubung pabrik-anil terhadap inisiasi SCC pada permukaan yang diasamkan dan dipoles secara elektro dalam air bersuhu tinggi dan dengan kemurnian tinggi, disebabkan oleh adanya oksida spinel yang stabil bersamaan dengan tegangan sisa tekan.

Aplikasi-Pilihan Selesai khusus untuk-Layanan Air Bersuhu Tinggi
Matriks keputusan berikut untuk memilih permukaan akhir untuk selubung baja tahan karat 316, sebagai fungsi dari suhu pengoperasian, kebersihan air dan proses korosi dominan yang diharapkan diberikan.

Temperatur Pengoperasian (derajat) Kemurnian Air / Kimia Mekanisme Korosi Dominan Dasar Pemikiran Permukaan Akhir yang Direkomendasikan < 100 Kadar klorida berapa pun Pitting, celah Dipoles atau diasamkan Ketahanan pitting maksimum Oksidasi yang dapat diabaikan
100 – 200 < 50 ppm klorida Lubang + oksidasi sedang Acar atau dipoles secara mekanisSeimbang, cegah pengkilap listrik > 180 derajat 200 – 250Kemurnian tinggi (< 0.5 µS/cm) Oxidation + possible SCS Mill-annealed or mill-annealed + light mechanical polished Transition zone; mill-annealed preferred
250 – 350 Tingkat nuklir dengan kemurnian tinggi Oksidasi umum + SCCEpoles listrik dan acar dikontraindikasikan, hanya digiling-dianil
350 – 500 (H2O superkritis)Kemurnian apa pun Spalasi, pertumbuhan oksida kental Ukuran butir diatur, dianil gilingan Adhesi oksida yang disukai butiran kasar esensial
Temperatur apa pun Klorida > 500 ppmPitting apa pun hasil akhirnya Tingkatkan ke baja tahan karat super-austenitik atau paduan Ni 316 tidak dapat diterima
Untuk sistem tambahan dalam reaktor air bertekanan (suhu pengoperasian normal 280–320 derajat ) dan reaktor oksidasi air superkritis (400–600 derajat ), spesifikasi harus dengan jelas menyatakan permukaan akhir pabrik-anil tanpa pengawetan atau pemolesan listrik tambahan. Anil akhir harus dilakukan di udara atau dalam atmosfer oksidasi yang terkendali dan harus diikuti dengan pendinginan udara hingga suhu kamar. Pembersihan asam tidak boleh dilakukan setelah anil kecuali untuk menghilangkan kontaminasi kotor yang dapat dilakukan dengan pembersihan basa ringan atau asam sitrat yang tidak menyerang oksida basa.

Bahasa Spesifikasi Pemanas Air Suhu Tinggi (Praktis)
Saat memesan tabung pemanas listrik berselubung baja tahan karat 316 untuk digunakan di atas 250 derajat dalam air dengan kemurnian tinggi, teknisi harus menentukan standar penyelesaian berikut. Permukaan selubung harus dalam kondisi digiling-anil seperti yang dihasilkan oleh prosedur anil tabung akhir. Permukaan selubung luar tidak boleh diasamkan, dipoles secara elektro atau dicerahkan secara kimia setelah anil akhir. Jika pembersihan pasca-anil diperlukan untuk menghilangkan pelumas atau bekas penanganan, hanya deterjen alkali ringan atau larutan asam sitrat 5-10% pada suhu di bawah 50 derajat yang boleh digunakan, dan pembersihan tidak boleh menghilangkan oksida asli bersuhu tinggi. Penyedia harus mencatat lingkungan anil akhir (udara atau nitrogen dengan 2–5% oksigen) dan laju pendinginan (pendinginan udara, bukan pendinginan air). Kekasaran permukaan harus Ra 0,5–1,5 µm. Hasil akhir yang lebih halus dari Ra 0,4 µm tidak dapat diterima karena merupakan hasil pemolesan mekanis atau kimia yang menghilangkan oksida pabrik yang bermanfaat. Untuk aplikasi yang melibatkan siklus termal lebih dari 1000 siklus antara suhu sekitar dan 300 derajat, selubung anil pabrik juga harus menjalani perlakuan praoksidasi (500 jam pada suhu 300 derajat dalam uap atau air dengan kemurnian tinggi) sebelum perakitan akhir, yang selanjutnya akan menstabilkan oksida spinel. Jika para insinyur menolak pilihan permukaan yang biasa dipoles secara elektro dalam layanan klorida bersuhu rendah dan menentukan hasil akhir yang dianil pabrik dalam air bersuhu tinggi dengan kemurnian tinggi, masa pakai selubung yang melebihi 50.000 jam dapat diperoleh dalam kondisi di mana pemanas yang dipoles gagal karena spalasi oksida dan retak dalam waktu 10.000 jam.