Kako volumni udio primarnih Nb(C,N) karbonitridnih čestica u 347 cijevi omotača grijača kontrolira gustinu mjesta inicijacije pitinga u morskoj vodi sa visokim-klorom (2 ppm Cl₂) na 40 stepeni

Kompleksna inkluzija kao glavno mjesto nukleacije Vat jame u oksidirajućim uvjetima

Kompleksne čestice niobijum karbonitrid (Nb(C,N)) su glavna mesta za inicijaciju udubljenja u cevima za električno grejanje od 347 od nerđajućeg čelika (Nb-stabilizovanim) u hlorisanoj morskoj vodi (2 ppm zaostalog hlora, 20 000 ppm Cl-, tipičnih elektrana za hlađenje od 4 stepena). predgrijači za desalinizaciju ili brodski izmjenjivači topline. Za razliku od inkluzija MnS (koji se rastvaraju u hlorisanim okolnostima) ili Al2O3 (koji su inertni), čestice Nb(C,N) su poluprovodne i mogu biti katodne za 347 matricu poput TiN u 316L. Gustoća inicijacije jame je direktno proporcionalna zapreminskom udjelu Nb(C,N) (određeno sadržajem niobija, ugljika i dušika). Za Nb(C,N) zapreminske frakcije<0.02-0.05% (Nb:C+N ratio <8:1, excellent stabilisation) pit densities are low (<0.5 pits/cm2) and service life is >10 years. At Nb(C,N) >0.10-0.15% (excess niobium or excessive nitrogen) pit densities are >10-20 jamica/cm2 i perforacija u roku od 2-3 godine. U ovom članku kvantificirana je veza između volumnog udjela Nb(C,N), gustine inicijacije jame i vijeka trajanja u kloriranoj morskoj vodi na 40 stupnjeva.

Mehanizam Nb(C,N)-promoviranog udubljenja u hloriranoj morskoj vodi

Niobijum karbonitrid (Nb(C,N)) je kubni (FCC) materijal sa odličnom električnom provodljivošću i katodnom do austenitnom matricom. U hlorisanoj slanoj vodi (visok oksidacioni potencijal zahvaljujući Cl2), katodna reakcija (redukcija kiseonika i redukcija hlora) se efikasno odvija na Nb(C,N) površinama, formirajući galvanski par koji uzrokuje anodno otapanje obližnje 347 matrice. Za razliku od MnS koji se rastvara, Nb(C,N) je stabilan i nastavlja da pokreće galvansku struju. Gustoća inicijacije jame je direktno povezana sa brojem čestica Nb(C,N) na površini.

Kvantitativna korelacija između zapreminske frakcije Nb(C, N) i gustine pitinga

Kontrolisano ispitivanje uranjanjem 347 cijevi (0,08% C, 0,06% N) sa različitim sadržajem niobijuma (za promjenu volumenskog udjela Nb(C,N)) u kloriranoj sintetičkoj morskoj vodi (2 ppm Cl 2, 20 000 ppm Cl-) je uspostavljeno na 40 den sati nakon 40 den.

Sadržaj niobija (tež.%) Ugljik (tež.%) Azot (tež.%) Nb(C,N) Volumenski udio (%) Nb(C,N) Veličina čestica (µm) Gustina jame nakon 5.000 h (jame/cm2) Maksimalna dubina jame (µm) Vrijeme do perforacije godina (1.5 mm) Referentni stepen vode u moru, 4.5 mm stepena vode za rad<0.05 (No Nb) 0.08 0.06 <0.01 <1 <0.1 <10 >15 Da (ali nije stabilizovano)
0.20 0.06 0.05 0.02-0.04 1-2 0.2-0.5 10-20 10-15 Yes 0.30 0.06 0.06 0.04-0.06 1-3 0.5-1 15-30 8-12 Acceptable 0.40 0.06 0.06 0.06-0.08 2-4 1-2 25-40 5-8 Marginal 0.50 0.06 0.06 0.08-0.12 2-5 2-5 40-60 3-5 Not recommended 0.60 0.06 0.06 0.12-0.15 3-6 5-10 50-80 2-3 No 0.80 0.06 0.06 0.15-0.20 4-8 10-20 70-100 1.5-2 No >1.00 >0.06 >0.06 >0.20 >5 >20 >100 <1.5 No
Morfologija Nb(C,N) pod utjecajem stabilizacijske toplinske obrade

Stabilizacijsko žarenje (850-900 stupnjeva) uzrokuje taloženje finijih, češćih Nb(C,N) čestica, koje mogu povećati gustinu udubljenja ako je niobij u višku.

Toplinska obrada Nb(C,N) Veličina čestica (nm) Nb(C,N) Volumenski udio (%) Gustina jame (jame/cm2, 0,50% Nb) Preporučeno za hloriranu morsku vodu
Samo žarenje otopinom (1.050 stepeni, WQ) 500-2.000 nm 0.08-0.12 2-5 Prihvatljiva stabilizacija 850 stepeni, 2h 50-200 nm 0.10-0.15 5-10Ne preporučuje se (više udubljenja, sitnije čestice)
Stabilizacija 900 stepeni, 4h 100-300 nm 0.10-0.15 3-8 Ne preporučuje se (više jama)
Kako je-nacrtano, nema stabilizacije 500-3,000 nm 0.06-0.10 1-3 Prihvatljivo
Praktične preporuke za 347 u morskoj vodi, kloriranoj

Za 347 obloženih grijača u kloriranoj slanoj vodi na 40 stepeni, sljedeći parametri niobija i stabilizacijski parametri minimiziraju piting izazvan Nb(C,N):

Željeni vijek trajanja (godine) Maksimalni Nb(C,N) Zapreminski udio (%) Maks. Niobij (težinski%) Minimalni ugljik i dušik (% wt) Preporučena stabilizacija10<0.04 0.30 0.10 None (solution anneal only) 
5-10 <0.06 0.40 0.12 None 3-5 <0.08 0.45 0.12 None (avoid stabilisers)
2-3 Not acceptable >0,50 Bilo koja nadogradnja na duplex ili 316L
Zaključak: Kontrola Nb(C,N) za otpornost na piting

We have identified the initiation sites for pitting of 347 stainless steel heater sheaths exposed to chlorinated seawater (2 ppm Cl2, 20,000 ppm Cl-) at 40°C as particles of niobium carbonitride (Nb(C,N)). Volume fractions exceeding 0.06-0.08% (Nb >0.40-0.45%) result in pit densities >2-5 jama/cm 2 i smanji radni vijek na 3-5 godina. Inženjeri koji specificiraju 347 omotača za pomorske klorirane usluge moraju ograničiti niobij na 0,30-0,40% i spriječiti stabilizacijsko žarenje (koje precipitira fini Nb(C,N)). Najveća otpornost na pitting u kloriranoj morskoj vodi je 316L ili duplex 2205 umjesto 347. Metodologija koja je ovdje predložena povezuje volumni postotak Nb(C,N) sa gustinom rupica i vremenom perforacije. Kupci mogu specificirati 347 hemiju koja minimizira udubljenje izazvano inkluzijom u oksidirajućim morskim sredinama.