Як об’ємна частка первинних частинок карбонітриду Nb(C,N) у трубках оболонки нагрівача 347 контролює щільність місця ініціації піттингу в морській воді з високим вмістом -хлору (2 ppm Cl₂) при 40 градусах

Комплексне включення як основне місце зародження кубової ями в окислювальних умовах

Частинки складного карбонітриду ніобію (Nb(C,N)) є основними місцями ініціації піттингу в електричних нагрівальних трубках із оболонкою з нержавіючої сталі 347 (Nb-стабілізованою) у хлорованій морській воді (2 ppm залишкового хлору, 20 000 ppm Cl−) при 40 градусах, що є типовим для систем охолодження берегових електростанцій, опріснювальні підігрівачі або суднові теплообмінники. На відміну від включень MnS (які розчиняються в хлорованих умовах) або Al2O3 (які є інертними), частинки Nb(C,N) є напів-провідними і можуть бути катодами до матриці 347, як TiN у 316L. Щільність ініціювання ямки прямо пропорційна об’ємній частці Nb(C,N) (визначається вмістом ніобію, вуглецю та азоту). Для об’ємних часток Nb(C,N).<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 ямок/см2 і перфорація протягом 2-3 років. У цій статті кількісно визначено зв’язок між об’ємною часткою Nb(C,N), щільністю ініціювання ями та терміном служби в хлорованій морській воді при 40 градусах.

Механізм Nb(C,N)-пітингу в хлорованій морській воді

Карбонітрид ніобію (Nb(C,N)) є гранецентрованим кубічним (FCC) матеріалом з чудовою електропровідністю та катодною до аустенітної матрицею. У хлорованій солоній воді (високий потенціал окислення завдяки Cl2) катодна реакція (відновлення кисню та відновлення хлору) ефективно відбувається на поверхнях Nb(C,N), утворюючи гальванічну пару, яка викликає анодне розчинення сусідньої матриці 347. На відміну від MnS, який розчиняється, Nb(C,N) є стабільним і продовжує рухати гальванічний струм. Щільність ініціювання ямки безпосередньо пов’язана з кількістю частинок Nb(C,N) на поверхні.

Кількісна кореляція між об’ємною часткою Nb(C, N) і щільністю пітінгу

Контрольоване занурення труб 347 (0,08% C, 0,06% N) з різним вмістом ніобію (для зміни об’ємної частки Nb(C,N)) у хлорованій синтетичній морській воді (2 ppm Cl 2, 20 000 ppm Cl-) при 40 градусах протягом 5000 годин встановило наступні початкові щільності котловану.

Вміст ніобію (мас.%) Вуглець (мас.%) Азот (мас.%) Nb(C,N) Об’ємна частка (%) Nb(C,N) Розмір частинок (мкм) Щільність ямки після 5000 годин (піт/см2) Максимальна глибина ямки (мкм) Час до перфорації (стінка 1,5 мм, роки) Рекомендовано для 40-градусної хлорованої морської води<0.05 (No Nb) 0.08 0.06 <0.01 <1 <0.1 <10 >15 Так (але не стабілізовано)
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
Морфологія Nb(C,N) під впливом стабілізаційної термообробки

Стабілізаційний відпал (850-900 градусів) викликає осадження дрібніших, більш частих частинок Nb(C,N), які можуть підвищити щільність ямок, якщо ніобій надлишок.

Термічна обробка Nb(C,N) Розмір частинок (нм) Nb(C,N) Об’ємна частка (%) Щільність піт (піт/см2, 0,50% Nb) Рекомендовано для хлорованої морської води
Лише відпал розчину (1050 градусів, WQ) 500-2000 нм 0.08-0.12 2-5 Прийнятна стабілізація 850 градусів, 2 години 50-200 нм 0.10-0.15 5-10Не рекомендується (більше ямок, більш дрібні частинки)
Стабілізація 900 градусів, 4 години 100-300 нм 0.10-0.15 3-8 Не рекомендується (більше ямок)
Як-накреслено, без стабілізації 500-3000 нм 0.06-0.10 1-3 Прийнятно
Практичні рекомендації щодо 347 у морській воді, хлорованій

Для нагрівачів із оболонкою 347 у хлорованій солоній воді при температурі 40 градусів наступні параметри ніобію та стабілізації мінімізують точкову точку, спричинену Nb(C,N):

Бажаний термін служби (роки) Максимальна Nb(C,N) Об'ємна частка (%) Макс. Ніобій (мас.%) Мінімум вуглецю та азоту (% мас.) Рекомендована стабілізація10<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 Будь-яке оновлення до двостороннього або 316L
Висновок: Контроль Nb(C,N) для стійкості до точкової корекції

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 піт/см 2 і зменшити термін служби до 3-5 років. Інженери, які вказують оболонки 347 для використання в морських хлорованих водах, повинні обмежити ніобій до 0,30-0,40% і запобігти стабілізаційному відпалу (який виділяє дрібнодисперсний Nb(C,N)). Найвища стійкість до пітінгу в хлорованій морській воді становить 316 л або дуплекс 2205, а не 347. Запропонована тут методологія пов’язує об’ємний відсоток Nb(C,N) із щільністю пітінгу та часом перфорації. Покупці можуть вказати хімічний склад 347, який мінімізує утворення точок, викликане включеннями, в окислюваних морських середовищах.