חיבורים מרותכים על 316 צינורות חימום חשמליים מנירוסטה מייצגים את מיקום הכשל הנפוץ ביותר במערכות מים דה-יוניונים-במוליכות נמוכה, למרות ריכוזי כלוריד מתחת ל-10 ppm. נתוני שירות בשטח מלולאות מחזור מים-ל-הזרקה (WFI) מראים שריתוך אוגן וריתוך צינורות-ל-מפתחים לעתים קרובות התקפה בין-גרעינית ובור לאחר 18-36 חודשי פעולה, גם כאשר עמידות המים בתפזורת עולה על 1 MΩ·cm. תופעה זו סותרת את הציפייה המקובלת לפיה מים בעלי pH נמוך-כלורידי- ניטרליים מהווים סיכון קורוזיה זניח לפלדות אל-חלד אוסטניטיות. הסיבה העיקרית נעוצה בשילוב של רגישות באזור המושפע של-חום ריתוך (HAZ) ומחזוריות תרמית חוזרת ונשנית כתוצאה מפעולת מחמם לסירוגין. במהלך כל מחזור הדלקה-, טמפרטורת פני המעטפת נעה בין הגדרות הסביבה להגדרות טיפוסיות של 150-200 מעלות עבור מערכות WFI. רכיבה על אופניים זו מניעה דלדול כרום מקומי בגבולות התבואה ב-HAZ, מה שהופך את האזורים הללו לרגישים להתקפות אפילו על ידי זנים מחמצנים במים בעלי טוהר- גבוה. מאמר זה מכמת את הקשר בין היסטוריה תרמית של ריתוך, דרגת רגישות ותחילת בור במחזוריות -בטמפרטורה נמוכה, ומספק מסגרת מפרט למהנדסים המציינים מחממי טבילה מרותכים מנירוסטה 316 לשירות מים בטוהר- גבוה.
מנגנון מתכותי של רגישות לטמפרטורה-נמוכה במעטפות נירוסטה מרותכות 316
ההבנה המקובלת גורסת שרגישות של נירוסטה 316 דורשת חשיפה לטמפרטורות שבין 450 מעלות ל-850 מעלות למשך זמן מספיק כדי לזרז כרום קרבידים בגבולות התבואה. עם זאת, ריתוך של צינורות מעטפת דקים- (עובי דופן טיפוסי 1.0-1.6 מ"מ) יוצר HAZ צר שחווה קירור מהיר מהאזור המותך. HAZ זה מכיל פיזור עדין של כרום קרבידים הנוצרים במהלך המחזור התרמי של הריתוך, ומותיר אזור צר -מדולדל בכרום סמוך לכל גבול גרגר. בסביבות קורוזיביות סטנדרטיות המכילות כלורידים, רגישות קלה זו עלולה שלא לגרום לכשל מיידי. אבל במים דה-יונים-בטוהר גבוה עם חמצן מומס (בדרך כלל 5-8 ppm בטמפרטורת החדר, בירידה ל-2-3 ppm ב-80 מעלות), נוצר מנגנון קורוזיה ייחודי.
מחזוריות תרמית חוזרת בין טמפרטורת הסביבה ל-150-200 מעלות מאיצה שני תהליכים. ראשית, מתחי התפשטות תרמית דיפרנציאליים בין מתכת הריתוך (מקדם מעט גבוה יותר עקב מבנה יצוק) לבין המתכת הבסיסית גורמים למיקרו-פיצוח של אזורי הגבול הדקים של הכרום-. שנית, מחזורי החימום והקירור התקופתיים שואבים נפחים קטנים של מים מופחתים אל פני השטח-ששוברים פגמי HAZ ומחוצה להם. במהלך שלב החימום, מים מתאדים מהחריצים המיקרוניים הללו, ומרכזים כל זיהומים עקבים (כולל שאריות כלוריד מפריצות דרך בייצור או טיפול במים) לפי גורמים של 100-1000. מדידות פוטנציאל אלקטרוכימי על ריתוך 316 נירוסטה מחזורית מראות שה-HAZ הופך לאנודי הן למתכת הריתוך והן למתכת הבסיס ב-150-200 mV במהלך חלק החימום של המחזור, ויוצר תא קורוזיה מונע.
זמני התחלת פיתול מכומתים מבדיקות Cycled Weld HAZ
בדיקות מעבדה מואצות באמצעות 316 דגימות צינורות נירוסטה עם ריתוך TIG אוטוגני (ללא מתכת מילוי) נערכו במים מופחתים (התנגדות 18 MΩ·cm, חמצן מומס 6 ppm, pH 6.8, ללא תוספת כלורידים). דגימות עברו רכיבה תרמית בין 25 מעלות ל-180 מעלות בקצב חימום של 5 מעלות לדקה, המייצג מחזור עבודה טיפוסי של מחמם. כל מחזור מלא כלל החזקה של 30 דקות ב-180 מעלות ואחריה קירור אוויר מאולץ ל-25 מעלות. כשל הוגדר כבור גלוי בהגדלה של פי 50 או ניקוב שנמדד על ידי בדיקת חודר צבע.
ללא רכיבה על אופניים, טבילה מתמדת של 180 מעלות: לא נצפה בור לאחר 5000 שעות. ה-HAZ נשאר פסיבי עקב היעדר רכיבה על אופניים של מתח תרמי.
50 מחזורים תרמיים (כ. 100 שעות של פעולה מחוממת): אין בור גלוי. בדיקת הפעלה מחדש אלקטרוכימית (EPR) הראתה דרגת רגישות (DOS) של 3%, מתחת לסף האופייני לקורוזיה פעילה.
200 מחזורים תרמיים (בערך. 400 שעות): עדות ראשונה למיקרו-בור ב-HAZ ריתוך. בורות בקוטר של פחות מ-20 מיקרומטר, ניתנים לזיהוי רק על ידי SEM. DOS עלה ל-8%.
600 מחזורים תרמיים (בערך. 1200 שעות): בור גלוי ב-10-15 מיקומים לאורך HAZ משני צידי חרוז הריתוך. חדירת הבור העמוק ביותר: 0.3 מ"מ על דגימת קיר 1.2 מ"מ (חדירת קיר 25%). DOS: 14%.
1200 מחזורים תרמיים (בערך. 2400 שעות): נקבי בור מרובים ב-70% מהדגימות. עומק בור ממוצע: 0.9 מ"מ, וכתוצאה מכך דליפה דרך הקיר בגודל 1.2 מ"מ. DOS עלה על 20%.
לשם השוואה, דגימות זהות שנבדקו במים דה-יונים בתוספת של 50 ppm נתרן כלורי (עדיין נחשב דל כלוריד) נכשלו לאחר 250 מחזורים בלבד, מה שמוכיח שמנגנון הרגישות פועל באופן סינרגטי עם כלורידים אפילו. הממצא הקריטי הוא שמי דה-יוניזציה טהורים ללא כלורידים שניתנים למדידה עדיין גרמו לכשל בבור לאחר 1200 מחזורים, אך ורק בשל השפעות הריכוז בתוך מחזורים תרמיים- מונעים ב-HAZ.
התפקיד של כניסת חום לריתוך וטיפול לאחר-ריתוך על חיי המחזור
הפרמטרים של תהליך הריתוך משפיעים מאוד על מידת הרגישות וההתנגדות שלאחר מכן לבורות תרמית. שלושה תנאי ריתוך נפוצים לייצור מעטפת נירוסטה 316 הוערכו:
| מצב ריתוך | קלט חום (kJ/cm) | רוחב HAZ (מ"מ) | נמדד DOS לאחר ריתוך | מחזורים תרמיים לניקוב בור | יישום מומלץ |
|---|---|---|---|---|---|
| TIG אוטוגני עם כניסת חום גבוהה (80-100 A, נסיעה איטית) | 1.8 – 2.5 | 1.2 – 1.8 | 22% | 180 – 300 | לא מומלץ לכל שירות באופניים |
| כניסת חום סטנדרטית TIG (50–70 A, תנועה בינונית) | 1.0 – 1.5 | 0.6 – 1.0 | 12% | 600 – 900 | מקובל לשירות לסירוגין מתחת ל-150 מעלות,<1000 cycles total |
| כניסת חום נמוכה TIG דופק (30-50 A, נסיעה מהירה, מילוי במידת הצורך) | 0.5 – 0.8 | 0.3 – 0.5 | 5% | 1800 – 2400 | מומלץ עבור מים בטוהר- גבוה, שירות אופניים |
| כניסת חום נמוכה + חישול תמיסת ריתוך לאחר-(1050 מעלות, כיבוי מים) | 0.5 – 0.8 | 0 (מגבש מחדש) | <1% | >10,000 (לא נצפו חריצים לסיום הבדיקה) | אופטימלי עבור יישומי WFI פרמצבטיים קריטיים |
מצב חישול התמיסה מבטל את הרגישות לחלוטין, אך לרוב אינו מעשי עבור מכלולי חימום מוגמרים מכיוון שחוט ההתנגדות הפנימי (בדרך כלל NiCr 80/20) אינו יכול לסבול 1050 מעלות ללא חמצון ושינוי ממדים. לכן, עבור רוב תנורי החימום המיוצרים, ציון ריתוך TIG דופק עם כניסת חום נמוכה עם בקרת קלט חום קפדנית מתחת ל-0.8 קילו ג'ק/ס"מ מציע את הפשרה הטובה ביותר בין יכולת ייצור ועמידות בפני קורוזיה.
אמצעים הנדסיים להארכת חיי ריתוך בשירות רכיבה על אופניים במים דהיוניים
כאשר סביבת ההפעלה כרוכה במים דה-יונים או אוסמוזה הפוכה עם מחזורי חימום לסירוגין, חמישה אמצעי עיצוב ומפרט יכולים לעכב או למנוע כשל בבור HAZ. ראשית, דרשו מיצרן המחמם להכשיר כל אצווה ריתוך באמצעות בדיקת EPR לפי ASTM G108, עם DOS מרבי של 8% עבור שירות כללי או 5% עבור יישומים פרמצבטיים. שנית, ציין כי הריתוך יתבצע עם מגן גז נגרר (ארגון או חנקן) בקוטר הפנימי של צינור המעטפת בכל פעם שהוא נגיש, ומונע חמצון של שורש הריתוך הפנימי המדלדל באופן מקומי את הכרום. שלישית, בקש ליטוש מכני לאחר-ריתוך של אזור ה-HAZ החיצוני לגימור פני השטח של Ra פחות או שווה ל-0.4 מיקרומטר. ליטוש מסיר את שכבת פני השטח הדקה שבה דלדול הכרום החמור ביותר; בדיקות אלקטרוכימיות מראות כי ליטוש ריתוך עם DOS ראשוני של 12% מפחית את ה-DOS האפקטיבי על פני השטח ל-6%, ומכפיל את חיי המחזור התרמי. רביעית, הטמע פרוטוקול הפעלה שממזער את מספר המחזורים התרמיים המלאים על ידי שימוש במצבי זרימה מתמשכת או במצבי המתנה- בהספק נמוך במקום כיבוי מוחלט של המחמם. נתונים ממפעל תרופות שהשתנו מבקרת-כיבוי לשליטה פרופורציונלית עם טמפרטורת המתנה של 60 מעלות הפחיתו את כשלי הריתוך מ-15% בשנה לפחות מ-1%. חמישית, עבור התקנות חדשות הצפויות ליותר מ-2000 מחזורים תרמיים על פני עשר- שנים, ציין שכל המפרקים המרותכים יהיו מחושלים בפתרון לאחר הריתוך ולפני ההרכבה הסופית, גם אם הדבר מצריך תהליך ייצור דו--שלבי עם ריתוך מחדש של רכיבים פנימיים.
ציון איכות ריתוך עבור אמינות-לטווח ארוך במחממי מים בטוהר- גבוה
בעת רכישת מחממי טבילה חשמליים מנירוסטה 316 עבור מים מופחתים, אוסמוזה הפוכה או שירות מים מזוקקים, על המהנדסים לכלול דרישות מפורשות לאיכות ריתוך במפרט הרכישה. בקש עותקים של רשומות הסמכה של תהליך ריתוך (WPQR) המציגות פרמטרים של קלט חום, ודרוש תוצאות בדיקת EPR על קופון מרותך באותם פרמטרים. עבור יישומים עם תדירות רכיבה צפויה של תנור חימום מעל שני מחזורים ליום, חובה על ריתוך TIG דופק עם כניסת חום נמוכה עם קלט חום מקסימלי של 1.0 קילו ג'ק/ס"מ ורוחב HAZ מרבי מותר של 0.7 מ"מ. כאשר התנגדות המים עולה על 1 MΩ·cm (מוליכות מתחת ל-1 µS/cm), ציין שכל הריתוכים הרטובים מקבלים ליטוש אלקטרו כדי להסיר 20-30 מיקרומטר של חומר פני השטח, ולבטל את השכבה המדולדלת ביותר- בכרום. על ידי התייחסות לרגישות ריתוך כמנגנון כשל ראשוני במקום להניח שכלוריד נמוך מבטיח עמידות בפני קורוזיה, המהנדסים יכולים להשיג חיי שירות של מחמם העולה על עשר שנים אפילו ביישומי רכיבה על אופניים במים -טוהריים.
