Wie steuert der Volumenanteil von Delta-Ferrit, der nach dem Lösungsglühen von 316-Heizmantelrohren zurückbleibt, die Lochfraßbeständigkeit in Wasser mit hohem -Chloridgehalt (5.000 ppm) bei 60 Grad?

Die zweiphasige Mikrostruktur als Korrosionsfaktor

Der Volumenanteil des zurückgehaltenen Deltaferrits in der Austenitmatrix ist ein wichtiger, aber häufig vernachlässigter Faktor für die Lochfraßbeständigkeit von elektrischen Heizrohren, die mit Edelstahl 316 für Umgebungen mit hohem Chloridgehalt ausgekleidet sind, einschließlich Meerwassererhitzern (ca. 20.000 ppm Cl⁻), Brackwassersystemen (5.000-10.000 ppm Cl⁻) oder industriellen Soleerhitzern. Deltaferrit (δ-Ferrit) ist eine kubisch raumzentrierte Phase (BCC), die während der Erstarrung gebildet wird und je nach Legierungszusammensetzung (insbesondere dem Äquivalentverhältnis von Chrom- zu Nickel) nach dem Lösungsglühen zurückbleiben kann. Ein mäßiger Delta-Ferrit-Gehalt (3–8 %) ist günstig für die Heißrissbeständigkeit von Schweißnähten. Deltaferrit ist unter Chloridbedingungen weniger beständig gegen Lochfraß als Austenit. Bei Delta-Ferrit-Gehalten > 5–8 % in Wasser mit hohem Chloridgehalt bei 60 °C verringert sich das Lochfraßpotential um 100 - 200 mV und die Lochausbreitungsrate erhöht sich um den Faktor 2 - 3.. In diesem Artikel wird der Zusammenhang zwischen dem Delta-Ferrit-Volumenprozentsatz und dem Lochfraßwiderstand bei Anwendungen mit hohem Chloridgehalt bewertet.

Mechanismus des selektiven Delta-Ferrit-Angriffs

Die chemische Zusammensetzung von Deltaferrit in Edelstahl 316 unterscheidet sich vom umgebenden Austenit. Ferrit ist reich an Chrom (ca. 26-28 % Cr im Ferrit im Vergleich zu 15-18 % Cr im Austenit), aber arm an Nickel (3–6 % Ni im Ferrit im Vergleich zu 10–14 % Ni im Austenit) und Molybdän (ca. 1,5–2,0 % Mo im Ferrit im Vergleich zu 2,0–2,5 % Mo im Austenit). Unter Bedingungen mit hohem Chloridgehalt weist Deltaferrit eine geringere Molybdän- und Nickelkonzentration auf und ist daher im Vergleich zu Austenit anodisch. Aufgrund der unterschiedlichen Kristallstruktur (BCC vs. FCC) ist der Passivfilm auf Ferrit ebenfalls weniger stabil als auf Austenit. Bevorzugt entstehen Gruben an der Phasengrenze Ferrit-Austenit und wandern dann schnell durch die Ferritphase, wobei der Austenit intakt bleibt. Dadurch entsteht eine charakteristische „schwammige“ oder „selektive Auslaug“-Morphologie, bei der Ferrit selektiv entfernt wird, was zu einem Netzwerk miteinander verbundener Poren führt, die sich schneller über die Wanddicke ausbreiten können als gleichmäßige Lochfraßbildung.

Quantitative Korrelation zwischen Delta-Ferrit und Lochfraßwiderstand

Die Lochfraßleistung von 316-Rohren mit unterschiedlichem Delta-Ferrit-Gehalt (gesteuert durch winzige Variationen der Zusammensetzung zur Kontrolle des Ni-Äquivalents) wurde durch 5.000 Stunden kontrollierte Eintauchtests in simuliertem Meerwasser (5.000 ppm Cl-, pH 7,5, 60 Grad) bewertet.

Delta-Ferrit-Volumenanteil (%) Kritische Lochfraßtemperatur (Grad, in 5.000 ppm Lochfraßpotential 60 Grad (mV vs. SCE, 5.000 ppm Cl-) Maximale Lochtiefe nach 5.000 Stunden (µm) Zeit bis zur Perforation (1,5 mm Wand) Empfohlen für 5.000 ppm Cl⁻, 60 Grad Betrieb<1 (totally austenitic) 65-70 250-300 <20 >35 Jahre Ja
1-3 60-65 230-280 20-40 15-30 JahreJa 3-5 55-60 200-250 40-70 8-15 JahreAkzeptabel 5-8 50-55 170-210 70-120 5-8 JahreGrenzwert 8-10 45-50 150-180 120-180 3-5 JahreNicht empfohlen
10-15 40-45 120-150 180-250 2-3 Jahre Nicht akzeptabel
15-20 35-40 100-130 250-350 1.5-2 years Unacceptable >20 <35 <100 >350 <1.5 years Unacceptable 
Einfluss der Chloridkonzentration auf die Delta-Ferrit-Toleranz

Eine Erhöhung der Chloridkonzentration verstärkt die schädliche Wirkung von Deltaferrit. Sie können mehr Ferrit erhalten, wenn Sie den Chloridgehalt verringern. Die folgende Tabelle gibt den maximal zulässigen Delta-Ferrit für einen 5-Jahres-Betrieb bei verschiedenen Chloridkonzentrationen und bei 60 Grad an.

Chloridkonzentration (ppm) Maximales Delta-Ferrit für eine Lebensdauer von 5 Jahren (%)Empfohlene Legierungsalternative, wenn Ferrit den Grenzwert überschreitet<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 (Meerwasser) 0 (nur vollständig austenitisch) 316 nicht empfohlen Titan oder Legierung 625
Kontrolle von Delta-Ferrit durch Modifizierung der Chemie

Der Deltaferritgehalt von 316 wird durch Chrom- und Nickeläquivalente gesteuert (Schaeffler-DeLong-Diagramm). Die folgenden chemischen Modifikationen werden empfohlen, um Ferrit für Anwendungen mit hohem -Chloridgehalt zu reduzieren:

Erhöhen Sie Ni: Ziel-Ni=11-13 % (normaler Bereich 10–14 %, höheres Ende bevorzugt)

Geringerer Chromgehalt: Cr=16-17 % anstreben (gegenüber normalen 16–18 %, unteres Ende)

Stickstoffgehalt erhöhen Stickstoff ist ein starker Austenitstabilisator (0,05–0,10 %), angestrebt werden 0,08–0,10 % N

Ferritfördernde Elemente: Silizium (weniger als oder gleich 0,5 %) Molybdän (weniger als oder gleich 2,2 % im Vergleich zu 2,5 %)

Typische Ferritanteile für verschiedene 316-Chemikalien sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Sortenname Typisches Ni (%) Typisches Cr (%)Typisches Mo (%) Typisches N (%) Delta-Ferrit-Volumenanteil (%) 316 (niedriger Ni-Gehalt) 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 (hoher Ni-Gehalt) 11.0-12.0 16.5-17.0 2.2-2.4 0.08-0.10 2-5 316L (besonders niedriger C-Gehalt, hoher Ni-Gehalt) 11.5-13.0 16.0-17.0 2.2-2.5 0.08-0.12 0-3 316L (Premium, vollständig 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

Wenn Sie sehen, dass ein 316-Heizgerät in Wasser mit hohem-Chloridgehalt (5000-10.000 ppm Cl-) bei 60 Grad und mit einzigartiger Lochfraßmorphologie betrieben wird, vermuten Sie einen Delta-Ferrit-Angriff. Bei der metallografischen Untersuchung (optisches Mikroskop bei 200-500×, geätzt mit Berahas Reagenz oder elektrolytischem NaOH) tritt die Ferritphase als dunkle Ätzinseln in der helleren Austenitmatrix hervor. In den korrodierten Proben zeigen die Ferritinseln eine bevorzugte Auflösung und erscheinen als Hohlräume oder poröse Zonen. Röntgenbeugung kann das Vorhandensein von Ferrit (BCC-Peaks) und Austenit (FCC-Peaks) nachweisen. Für den Einsatz mit hohem Chloridgehalt besteht die Antwort darin, Rohre mit 3–5 % Ferrit zu spezifizieren. Dies kann erreicht werden, indem beim Hersteller eine Sorte mit „niedrigem Ferritgehalt“ oder „vollständig austenitisch“ angefordert wird, die im Allgemeinen als „316L mit kontrolliertem Ferrit“ bezeichnet wird, oder die ASTM A262 Practice A mit A-(Stufen-)Struktur erfüllt.

Fazit: Spezifizierung von Low-Delta-Ferrit für Anwendungen mit hohem Chloridgehalt

For 316 stainless steel encased heaters in high-chloride water (5,000 ppm Cl-) at 60°C, delta ferrite volume fractions >5–8 % verringern die Beständigkeit gegen Lochfraß und erhöhen die Ausbreitungsrate der Löcher, wodurch die Zeit bis zur Perforation von 8–15 Jahren auf 3–5 Jahre verkürzt wird. Bei Chloriden über 5.000 ppm sollte der Delta-Ferrit-Gehalt auf weniger als 3–5 % beschränkt werden; für Salzwasser (20.000 ppm Cl⁻) vollständig austenitisch (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.