Hur kontrollerar volymfraktionen av primära Nb(C,N)-karbonitridpartiklar i 347 värmemantelrör tätheten för gropinitieringsstället i hög-klor (2 ppm Cl₂) havsvatten vid 40 grader

Den komplexa inkluderingen som den huvudsakliga kärnbildningsplatsen för Vat Pit under oxiderande förhållanden

Komplexa niobkarbonitrid (Nb(C,N))-partiklar är de huvudsakliga platserna för gropinitiering i 347 rostfria stål (Nb{1}}stabiliserade) mantlade elektriska värmerör i klorerat havsvatten (2 ppm restklor, 20 000 ppm Cl−) vid typiska kylanläggningar med 40 graders kylsystem, i ett kylsystem, i ett kylsystem. förvärmare eller marina värmeväxlare. Till skillnad från MnS-inneslutningar (som löser sig under klorerade omständigheter) eller Al2O3 (som är inerta), är Nb(C,N)-partiklar halvledande och kan vara katodiska mot 347-matrisen som TiN i 316L. Gropinitieringsdensiteten är direkt proportionell mot volymfraktionen av Nb(C,N) (bestäms av niob-, kol- och kvävehalten). För Nb(C,N) volymfraktioner<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 gropar/cm2 och perforering inom 2-3 år. I denna artikel kvantifieras kopplingen mellan Nb(C,N) volymfraktion, gropinitieringsdensitet och livslängd i klorerat havsvatten vid 40 grader.

Mekanism för Nb(C,N)-främjad gropbildning i klorerat havsvatten

Niobkarbonitrid (Nb(C,N)) är ett ansiktscentrerat kubiskt (FCC) material med utmärkt elektrisk ledningsförmåga och katodisk till austenitisk matris. I klorerat saltvatten (hög oxidationspotential på grund av Cl2) sker katodisk reaktion (syrereduktion och klorreduktion) effektivt på Nb(C,N)-ytor, vilket bildar ett galvaniskt par som orsakar anodupplösning av den närliggande 347-matrisen. Till skillnad från MnS som löser sig är Nb(C,N) stabil och fortsätter att driva galvanisk ström. Gropinitieringsdensiteten är direkt relaterad till antalet Nb(C,N)-partiklar på ytan.

Kvantitativ korrelation mellan Nb(C, N) volymfraktion och punktfrätning

Kontrollerad nedsänkningstestning av 347-slangar (0,08 % C, 0,06 % N) med olika niobinnehåll (för att ändra Nb(C,N) volymfraktion) i klorerat syntetiskt havsvatten (2 ppm Cl 2, 20 000 ppm Cl 2, 20 000 ppm Cl-) vid 40 graders gropen under 5,000 densiteter under initiering

Niobinnehåll (vikt%) Kol (vikt%) Kväve (vikt%) Nb(C,N) Volymfraktion (%) Nb(C,N) Partikelstorlek (µm) Gropdensitet efter 5 000 h (gropar/cm2) Maximalt gropdjup (µm) Tid till perforering (1,5 graders mm vägg, år) Rekommenderad havsvattenklor i 40 år.<0.05 (No Nb) 0.08 0.06 <0.01 <1 <0.1 <10 >15 Ja (men inte stabiliserat)
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
Morfologi av Nb(C,N) påverkad av stabiliseringsvärmebehandling

En stabiliseringsglödgning (850-900 grader) orsakar utfällning av finare, mer frekventa Nb(C,N)-partiklar, vilket kan öka gropdensiteten om niob är i överskott.

Värmebehandling Nb(C,N) Partikelstorlek (nm) Nb(C,N) Volymfraktion (%) Gropdensitet (gropar/cm2, 0,50 % Nb) Rekommenderas för klorerat havsvatten
Endast lösningsglödgning (1 050 grader, WQ) 500-2 000 nm 0.08-0.12 2-5 Acceptabel stabilisering 850 grader, 2 timmar 50-200 nm 0.10-0.15 5-10Rekommenderas inte (fler gropar, finare partiklar)
Stabilisering 900 grader , 4h 100-300 nm 0.10-0.15 3-8 Rekommenderas inte (fler gropar)
Som-ritats, ingen stabilisering 500-3 000 nm 0.06-0.10 1-3 godtagbar
Praktiska rekommendationer för 347 i havsvatten, klorerat

För 347 mantlade värmare i klorerat saltvatten vid 40 grader minimerar följande niob- och stabiliseringsparametrar Nb(C,N)-inducerad gropfrätning:

Önskad livslängd (år) Maximal Nb(C,N) Volymandel (%) Max. Niob (vikt%) Lägsta kol och kväve (vikt%) Stabilisering rekommenderas10<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 Valfri uppgradering till duplex eller 316L
Slutsats: Kontroll av Nb(C,N) för gropfrätningsmotstånd

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 gropar/cm 2 och minska livslängden till 3-5 år. Ingenjörer som specificerar 347 höljen för marin klorerad service måste begränsa niob till 0,30-0,40 % och förhindra stabiliseringsglödgning (som fäller ut fin Nb(C,N)). Högsta gropmotstånd i klorerat havsvatten är 316L eller duplex 2205 snarare än 347. Metoden som föreslås här kopplar Nb(C,N) volymprocent till gropdensitet och perforeringstid. Köpare kan specificera 347 kemi som minimerar inklusionsinducerad gropbildning i oxiderande marina miljöer.