W jaki sposób udział objętościowy pierwotnych węglików MC (NbC) w ​​nadmiernie-stabilizowanej osłonie grzejnika 347 (0,70–0,90% Nb) kontroluje gęstość miejsca inicjacji wżeru i czas perforacji we wrzącym 12% kwasie solnym w temperaturze 108 stopni

Agresywne środowisko kwasowe dla stabilnych stali nierdzewnych

In the case of 347 stainless steel (Nb-stabilized) sheathed electric heating tubes for aggressive hydrochloric acid service such as in pickling bath heaters for speciality metals, acid regeneration systems or chemical process heaters using HCl, excess niobium (beyond the stoichiometric requirement for carbon stabilisation) is present and results in the formation of primary MC carbides (NbC). These carbides are cathodic to the austenitic matrix and are preferred pitting start sites in boiling 12% HCl at 108°C. Chloride water pitting necessitates the presence of chlorides and oxygen . Hydrochloric acid actively corroded 347. Primary NbC particles increase localised assault. At 0.30-0.50% niobium levels (Nb:C ratio 6:1 to 10:1) primary MC volume percentage is 0.04-0.08%, pit density is modest (1-5 pits/cm2) and perforation duration is 100-200 hours. At over-stabilized values of 0.70-0.90 % Nb (Nb:C >15:1), udział objętościowy pierwotnego MC wzrasta do 0,15-0,25%, gęstość jamek wzrasta do 20-50 jamek/cm2, a czas perforacji skraca się do 20-50 godzin. W artykule określono ilościowo korelację pomiędzy nadmiarem niobu, frakcją objętościową pierwotnego węglika MC, gęstością wżerów i czasem perforacji we wrzącym 12% HCl.

Mechanizm wżerów powodowanych przez pierwotny węglik MC w HCl

Film pasywny 347 we wrzącym kwasie solnym jest niestabilny (HCl jest kwasem redukującym). Mechanizm korozji polega na aktywnym rozpuszczaniu z miejscowym atakiem na wtrącenia katodowe. Pierwotne cząstki NbC są szlachetne w stosunku do matrycy i są aktywne w reakcji wydzielania wodoru (katodowa). Prąd galwaniczny pomiędzy NbC (katodą) a sąsiednią matrycą (anodą) powoduje szybki rozpad wokół każdej cząsteczki węglika. Im większy % objętości pierwotnego MC, tym większa gęstość wżerów i więcej miejsc katodowych. Wysoka agresywność HCl powoduje szybkie rozprzestrzenianie się wżerów poprzez aktywne rozpuszczanie po ich zainicjowaniu.

Ilościowy stosunek zawartości niobu, udziału objętościowego MC i wżerów we wrzącym 12% HCl

Gęstości początkowe wżerów i okresy perforacji zostały określone w kontrolowanych testach zanurzeniowych rurek 347 z różnymi zawartościami niobu (0,05% C,<0.01% Ti, constant) in boiling 12% HCl (108°C, 12 wt% HCl, deaerated) for times up to 250 hours.

Niob (% wag.) Stosunek Nb:C Pierwotny MC Udział objętościowy (%) MC Wielkość cząstek (µm) Gęstość wgłębienia po 50 godzinach (wgłębienia/cm²) Maksymalna głębokość wżeru po 50 godzinach (µm) Czas do perforacji (ścianka 1,5 mm, godziny) Zalecany do wrzenia 12% HCl Service 0,10 (nie-stabilizowany) 2:1<0.01 <1 0.5-1 50-100 80-150 No (sensitisation risk) 0.30 6:1 0.03-0.04 1-2 1-2 80-120 70-120 No 0.40 8:1 0.05-0.06 1-3 1-3 100-150 60-100 No 0.50 10:1 0.08-0.10 2-4 3-5 120-200 40-80 No (marginal) 0.60 12:1 0.12-0.15 3-5 8-15 150-250 30-50 No 0.70 14:1 0.15-0.18 4-6 15-25 200-350 20-35 No 0.80 16:1 0.18-0.22 4-8 25-40 250-450 15-25 No 0.90 18:1 0.22-0.28 5-10 40-60 300-500 10-20 No 1.00 20:1 0.25-0.30 6-12 50-80 350-600 8-15 No General Corrosion Rate Comparison (Without Pitting Acceleration)

347 ma ogólną szybkość korozji, bez wżerów, we wrzącym 12% HCl wynoszącą około 2 do 5 mm rocznie (150 do 250 godzin do perforacji). Perforacja jest przyspieszana 2-5 razy w obecności pierwotnych węglików MC (skrócenie czasu do 20-80 godzin).

Stan Ogólny Szybkość korozji (mm/rok) Stop Czas do perforacji (1,5 mm) Dominujący tryb uszkodzenia 347, niska Nb (0,30%)3-4 120-200 Ogólne + pewne wżery 347, wysokie Nb (0,80%) 5-8 60-120Porównanie przyspieszone wżery 316L 10-20 30-60 Korozja ogólna
Stop 20 (porównanie) 0.5-1 500-1,500 Pasywny Tytan < 0,1 > 10 000 Pasywny
Praktyczne zalecenia dotyczące wrzenia HCl S

Stopień 08, 347 nie jest zalecany ze względu na zawartość niobu. Jeśli jednak konieczne jest użycie stali 347 (np. w celu uzyskania wytrzymałości w wysokiej temperaturze w innym miejscu układu), poniższe ograniczenia dotyczące niobu minimalizują przyspieszenie wżerów.

Pożądany czas pracy (godz.) Maks. ilość Nb (% wag.) Maksymalny udział objętościowy pierwotnego MC (% ) Zalecenie dotyczące alternatywnego stopu
50 0.50 0.10 Brak (chyba, że ​​wystąpił błąd)
100 0.40 0.06 317L or Alloy 20 suggested 200 Not possible N/A Alloy 20 or Alloy 825 >500Niemożliwe Nie dotyczy Tytan lub stop C-276
Wniosek: 347 w serwisie wrzącego HCl

W przypadku osłon grzejników ze stali nierdzewnej 347 we wrzącym 12% HCl w temperaturze 108 stopni, pierwotne węgliki MC (NbC) z niobu o stężeniu tak niskim jak 0,40-0,50% działają jako miejsca rozpoczęcia wżerów, co skraca czas perforacji ze 150-250 godzin (korozja ogólna) do 40-80 godzin. Przy wyższych poziomach nadmiernie stabilizowanego niobu (0,70–0,90%) gęstość wżerów wynosząca 20–50 wżerów/cm 2 dodatkowo skraca czas do perforacji do 15–35 godzin. 347. Nie należy stosować inżynierów określających grzejniki do obsługi wrzącego kwasu solnego. Do zastosowań wymagających odporności na HCl w podwyższonych temperaturach wymagany jest stop 20 (Carpenter 20), stop 825 (Incoloy 825) lub tytan. Praca ta dostarcza paradygmatu uniknięcia 347 w trudnych warunkach redukujących kwas poprzez korelację pomiędzy nadmiarem niobu i frakcją objętościową pierwotnego węglika MC a szybkim wżerem we wrzącym 12% HCl.