W jaki sposób udział objętościowy cząstek pierwotnego węglikaazotku Nb(C,N) w rurach osłonowych podgrzewacza 347 kontroluje gęstość miejsca inicjacji wżerów w wodzie morskiej o wysokiej zawartości-chloru (2 ppm Cl₂) w temperaturze 40 stopni

Złożone włączenie jako główne miejsce zarodkowania kadzi w warunkach utleniających

Złożone cząstki węglikaazotku niobu (Nb(C,N)) są głównymi miejscami inicjacji wżerów w elektrycznych rurach grzejnych ze stali nierdzewnej 347 (stabilizowanych Nb-) w chlorowanej wodzie morskiej (2 ppm chloru resztkowego, 20 000 ppm Cl−) w temperaturze 40 stopni, typowej dla systemów chłodzenia przybrzeżnych elektrowni, podgrzewaczy odsalania lub morskich wymienników ciepła. W przeciwieństwie do wtrąceń MnS (które rozpuszczają się w środowisku chlorowanym) lub Al2O3 (które są obojętne), cząstki Nb(C,N) są półprzewodnikowe i mogą być katodowe w stosunku do matrycy 347, podobnie jak TiN w 316L. Gęstość inicjacji wżerów jest wprost proporcjonalna do udziału objętościowego Nb(C,N) (określonego na podstawie zawartości niobu, węgla i azotu). Dla ułamków objętościowych 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 wżerów/cm2 i perforacja w ciągu 2-3 lat. W tym artykule określono ilościowo związek pomiędzy udziałem objętościowym Nb(C,N), gęstością inicjacji wżerów i żywotnością w chlorowanej wodzie morskiej w temperaturze 40 stopni.

Mechanizm Nb(C,N)-Sprzyja wżerom w chlorowanej wodzie morskiej

Węgloazotek niobu (Nb(C,N)) jest materiałem sześciennym o skupionej powierzchniowo (FCC) o doskonałej przewodności elektrycznej i osnowie katodowo-austenitycznej. W chlorowanej wodzie morskiej (wysoki potencjał utleniający dzięki Cl2) reakcja katodowa (redukcja tlenu i redukcja chloru) zachodzi skutecznie na powierzchniach Nb(C,N), tworząc parę galwaniczną, która powoduje anodowe rozpuszczenie pobliskiej matrycy 347. W przeciwieństwie do rozpuszczającego się MnS, Nb(C,N) jest stabilny i nadal napędza prąd galwaniczny. Gęstość inicjacji wżerów jest bezpośrednio powiązana z liczbą cząstek Nb(C,N) na powierzchni.

Ilościowa korelacja między ułamkiem objętościowym Nb(C, N) a gęstością wżerów

Kontrolowane badanie zanurzeniowe rurki 347 (0,08% C, 0,06% N) o różnej zawartości niobu (w celu zmiany udziału objętościowego Nb(C,N)) w chlorowanej syntetycznej wodzie morskiej (2 ppm Cl 2, 20 000 ppm Cl-) w temperaturze 40 stopni przez 5000 godzin ustaliło następujące gęstości inicjacji wżeru.

Zawartość niobu (% wag.) Węgiel (% wag.) Azot (% wag.) Nb(C,N) Udział objętościowy (%) Nb(C,N) Wielkość cząstek (µm) Gęstość wgłębienia po 5000 godz. (wgłębienia/cm2) Maksymalna głębokość wżeru (µm) Czas do perforacji (ściana 1,5 mm, lata) Zalecane dla chlorowanej wody morskiej o temperaturze 40 stopni<0.05 (No Nb) 0.08 0.06 <0.01 <1 <0.1 <10 >15 Tak (ale niestabilizowany)
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
Morfologia Nb(C,N) pod wpływem stabilizacyjnej obróbki cieplnej

Wyżarzanie stabilizacyjne (850-900 stopni) powoduje wytrącanie się drobniejszych, częstszych cząstek Nb(C,N), które mogą zwiększać gęstość wżerów w przypadku nadmiaru niobu.

Obróbka cieplna Nb(C,N) Wielkość cząstek (nm) Nb(C,N) Udział objętościowy (%) Gęstość wgłębień (wżery/cm2, 0,50% Nb) Zalecane dla chlorowanej wody morskiej
Tylko wyżarzanie rozpuszczające (1050 stopni, WQ) 500–2000 nm 0.08-0.12 2-5 Akceptowalna stabilizacja 850 stopni, 2 godz. 50–200 nm 0.10-0.15 5-10Niezalecane (więcej wżerów, drobniejsze cząstki)
Stabilizacja 900 stopni, 4 godz. 100-300 nm 0.10-0.15 3-8 Niezalecana (więcej wgłębień)
Jak-rysowano, brak stabilizacji 500–3000 nm 0.06-0.10 1-3 Dopuszczalne
Praktyczne zalecenia dotyczące 347 w wodzie morskiej, chlorowanej

W przypadku grzejników płaszczowych 347 w chlorowanej wodzie morskiej o temperaturze 40 stopni następujące parametry niobu i stabilizacji minimalizują wżery indukowane Nb(C,N):

Pożądany okres użytkowania (lata) Maksymalny udział Nb(C,N) (%) Max. Niob (% wag.) Minimalna zawartość węgla i azotu (% wag.) Zalecana stabilizacja 10<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 Dowolna aktualizacja do wersji duplex lub 316L
Wniosek: Kontrola Nb(C,N) pod kątem odporności na wżery

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 wgłębień/cm 2 i skrócić żywotność do 3-5 lat. Inżynierowie, którzy określają osłony 347 do użytku w chlorowanej wodzie morskiej, muszą ograniczyć niob do 0,30-0,40% i zapobiegać wyżarzaniu stabilizacyjnemu (w wyniku którego wytrąca się drobny Nb(C,N)). Najwyższa odporność na wżery w chlorowanej wodzie morskiej to 316L lub duplex 2205 zamiast 347. Zaproponowana tutaj metodologia łączy procent objętościowy Nb(C,N) z gęstością wżerów i czasem perforacji. Kupujący mogą wybrać chemię 347, która minimalizuje wżery wywołane wtrąceniami w utleniającym środowisku morskim.