Як об’ємна частка первинних карбонітридів Nb(C,N) із залишкового титану (0,02-0,08%) в оболонці нагрівача 347 контролює щільність місць ініціації пітингу в хлорованій морській воді при 35 градусах з 1,5 ppm вільного хлору

Другорядний легуючий елемент, який стає головним ініціатором піттингу в умовах окислення

Типові електричні нагрівальні труби з нержавіючої сталі 347 (стабілізовані Nb-), які піддаються впливу хлорованої морської води (1,5 ppm вільного хлору, 20 000 ppm Cl-) при 35 градусах, які використовуються в системах охолодження берегових електростанцій, опріснювальних підігрівачах або суднових теплообмінниках із дозуванням хлору, містять залишковий титан (0,02-0,08 мас.%) від виробництва сталі (титан-розкислений брухт або навмисна добавка). Формуються первинні багаті титаном карбонітриди ніобію (Nb,Ti)(C,N). Ці складні карбонітриди є більш катодними та стабільнішими, ніж чистий NbC, отже, вони є дуже ефективними місцями ініціації піттингу під високим окислювальним потенціалом хлорованої морської води. Для титанових рівнів<0.01% primary carbonitride volume fraction <0.01-0.02 %, pit density <0.5 pits/cm² and service life >10 років. Зі збільшенням вмісту титану від 0,03 до 0,05 % об’ємна частка карбонітриду збільшується від 0,04 до 0,08 %, щільність піт-форми від 2 до 5 піт/см² і довговічність від 5 до 7 років. При рівнях вмісту титану 0,06-0,08% об'ємна частка становить 0,10-0,15%, а щільність піта становить понад 10-20 пітів/см², а перфорація відбувається через 2-3 роки. У цій статті кількісно визначено зв’язок між залишковою концентрацією титану, об’ємним відсотком первинного карбонітриду, щільністю ініціювання ямки та терміном служби в хлорованій солоній воді.

Механізм ініціації Піттінгча, посиленого титаном

Титан має більшу спорідненість до вуглецю та азоту, ніж ніобій. У виробництві сталі 347 титан (до 0,02-0,08%) переважно дає багаті титаном карбонітриди (Ti(C,N)), які також можуть містити ніобій (Nb,Ti)(C,N). Ці частинки утворюються при високій температурі під час затвердіння, вони більші (3-10 мкм) і стабільніші, ніж чистий NbC. У хлорованій морській воді (високий потенціал окислення за допомогою Cl2) катодний процес (відновлення кисню + відновлення хлору) є особливо ефективним на цих карбонітридних поверхнях, таким чином утворюючи міцну гальванічну пару з навколишньою аустенітною матрицею. Швидке анодне розчинення викликається високою катодною щільністю струму. Висока концентрація хлориду призводить до швидкого утворення та поширення ям.

Кількісне співвідношення між вмістом титану, об'ємною часткою карбонітриду та щільністю пітингу

Для 347 труб із різним вмістом залишкового титану (постійний ніобій 0,40%, вуглець 0,05%, азот 0,04%) у хлорованій синтетичній морській воді (1,5 ppm вільного Cl 2 , 20 000 ppm Cl, рН 8,0) при 35 градусах для 5000 годин.

Титан (ваг.%) Об’ємна частка первинного (Nb,Ti)(C,N) (%) карбонітриду Розмір частинок (мкм) Морфологія частинок Щільність ямки після 5000 год (піт/см²) Максимальна глибина ямки після 5000 год (мкм) Час до перфорації (стінка 1,5 мм, роки) Рекомендовано для 35 градусів Обслуговування хлорованої морської води<0.005 (Ti-free) <0.01 <1 None/rare <0.1 <10 >15 Best 0.005-0.010 0.01-0.02 1-2 Isolated 0.2-0.5 10-20 10-15 Yes 0.010-0.020 0.02-0.03 1-3 Scattered 0.5-1.0 15-30 8-12 Acceptable 0.020-0.030 0.03-0.05 2-4 Moderate 1-3 25-45 5-8 Marginal 0.030-0.040 0.05-0.07 2-5 Frequent 2-5 35-60 4-6 Not recommended 0.040-0.050 0.07-0.09 3-6 Numerous 4-8 50-80 3-4 No 0.050-0.060 0.09-0.12 3-8 Extensive 8-15 60-100 2-3 No 0.060-0.080 0.12-0.16 4-10 High density 15-30 80-130 1.5-2 No >0.080 >0.16 >5 Very high >30 >130 <1.5 No
Про взаємодію Ti і Nb з утворенням карбонітриду

Високий вміст ніобію може частково компенсувати несприятливий ефект титану шляхом переважного виробництва NbC, але титан все ще розподіляється на карбонітриди.

Титан (мас.%) Ніобій (мас.%) Склад карбонітриду Щільність піт (піт/см2) Рекомендовано для хлорованої морської води 0.02 0.35 Ti-збагачений (Ti,Nb)(C,N) 2-4 Гранично 0.02 0.45 Більше Nb-багатий 1-2 Прийнятний 0.02 0.55 Переважно NbC + сліди Ti 0,5-1 Так 0.05 0.35 Ti+Nb змішаний 8-12 Ні 0.05 0.50 Ti+Nb змішаний 4-6 Не рекомендується 0.05 0.65 Більш багатий Nb, трохи Ti 2-4 Граничний
Практичні рекомендації щодо 347 у хлорі морської води

Для обігрівачів із оболонкою 347 у хлорованій солоній воді при 35 градусах наступні обмеження щодо титану та ніобію мінімізують точкову конструкцію через утворення карбонітриду.

Desired Service Life @ 35C (years) Maximum Titanium (wt%) Minimum Niobium (wt%) Recommended Combined Limit Alternate Alloy >10 <0.01 0.45 Ti+Nb not applicable 347 acceptable 8-10 <0.02 0.50 Upgrade to 316L or duplex
5-8 <0.03 0.55 347 not recommended Duplex 2205 3-5 <0.04Not effective 347 unsuitable Duplex 2205 or titanium <3 >0,04 Не ефективний 347 непридатний Титан
Перевірка кількості титану та щільності карбонітриду

Для покупців, яким потрібен 347 для обслуговування хлорованої морської води, є два методи перевірки. Перший – це хімічний аналіз титану за допомогою ICP або OES. Прийняття: Ti<0.01-0.02% for life >8 років Другий — металографічне (SEM 1000-2000×) дослідження полірованого поперечного зрізу для підрахунку первинних частинок карбонітриду (яскраві, кутасті, 2-10 мкм). Прийняття:<5 particles/mm^2 for 5 year life.

Висновок: надзвичайно-технічні характеристики титану для стійкості до питінгової хлорованої морської води

В оболонках нагрівача з нержавіючої сталі 347 залишковий вміст титану лише 0,02-0,03% утворює об’ємні частки первинного (Nb,Ti)(C,N) карбонітриду 0,03-0,05% у хлорованій морській воді (1,5 ppm Cl₂, 20 000 ppm Cl⁻) при 35 градусах і щільність збільшується від<1 pit/cm² to 2-5 pits/cm² and service life decreases from >8-10 years to 4-6 years. At titanium levels of 0.05-0.08% pit density is >15-30 ямок/см2 і перфорація відбувається через 2-3 роки. Інженери, які пишуть специфікації для оболонок 347 для морських хлорованих служб, повинні обмежити використання титану<0.01-0.02% and for the highest pitting resistance upgrade to 316L or duplex 2205. The framework presented here allows buyers to specify 347 chemistry that minimises titanium induced pitting in the most aggressive oxidising marine environments by correlating residual titanium content with primary carbonitride volume fraction, pit initiation density and perforation time in chlorinated seawater.