Како запремински удео примарних честица Нб(Ц,Н) карбонитрида у цевима омотача грејача 347 контролише густину места иницијације питинга у морској води са високим-хлором (2 ппм Цл₂) на 40 степени

Комплексна инклузија као главно место нуклеације Ват јаме у оксидационим условима

Комплексне честице ниобијум карбонитрида (Нб(Ц,Н)) су главна места за иницијацију удубљења у цевима за електрично грејање од 347 од нерђајућег челика (Нб-стабилизованим) у хлорисаној морској води (2 ппм заосталог хлора, 20 000 ппм Цл-, типичних система за хлађење од 4 степена електрана 4 предгрејачи за десалинизацију или бродски измењивачи топлоте. За разлику од инклузија МнС (који се растварају у хлорисаним околностима) или Ал2О3 (који су инертни), честице Нб(Ц,Н) су полупроводне и могу бити катодне за 347 матрицу попут ТиН у 316Л. Густина иницијације јаме је директно пропорционална запреминском уделу Нб(Ц,Н) (одређено садржајем ниобијума, угљеника и азота). За запреминске фракције Нб(Ц,Н).<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 јамица/цм2 и перфорација у року од 2-3 године. У овом чланку, квантификује се веза између запреминског удела Нб(Ц,Н), густине иницијације јаме и века трајања у хлорисаној морској води на 40 степени.

Механизам Нб(Ц,Н)-промовисаног таложења у хлорисаној морској води

Ниобијум карбонитрид (Нб(Ц,Н)) је кубни (ФЦЦ) материјал са одличном електричном проводљивошћу и катодном до аустенитном матрицом. У хлорисаној сланој води (висок оксидациони потенцијал захваљујући Цл2), катодна реакција (редукција кисеоника и редукција хлора) се ефикасно одвија на Нб(Ц,Н) површинама, формирајући галвански пар који изазива анодно растварање оближње 347 матрице. За разлику од МнС који се раствара, Нб(Ц,Н) је стабилан и наставља да покреће галванску струју. Густина иницијације јаме је директно повезана са бројем Нб(Ц,Н) честица на површини.

Квантитативна корелација између запреминске фракције Нб(Ц, Н) и густине питинга

Контролисано испитивање урањањем 347 цеви (0,08% Ц, 0,06% Н) са различитим садржајима ниобијума (за промену запреминског удела Нб(Ц,Н)) у хлорисаној синтетичкој морској води (2 ппм Цл 2, 20,000 ппм Цл-) је установљено на 5,00 ден у току следећих 400 ден часова.

Садржај ниобијума (теж.%) Угљеник (теж.%) Азот (теж.%) Нб(Ц,Н) Запреминска фракција (%) Нб(Ц,Н) Величина честица (µм) Густина јаме након 5.000 х (удубљења/цм2) Максимална дубина јаме (µм) Време до перфорације године (1.5 мм) Референтни степен воде у мору, 4.5 мм степена за воду<0.05 (No Nb) 0.08 0.06 <0.01 <1 <0.1 <10 >15 Да (али није стабилизовано)
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
Морфологија Нб(Ц,Н) под утицајем стабилизацијске топлотне обраде

Стабилизацијско жарење (850-900 степени) узрокује таложење финијих, чешћих честица Нб(Ц,Н), које могу повећати густину јама ако је ниобијум у вишку.

Термичка обрада Нб(Ц,Н) Величина честица (нм) Нб(Ц,Н) Запреминска фракција (%) Густина јаме (јаме/цм2, 0,50% Нб) Препоручено за хлорисану морску воду
Само жарење раствором (1.050 степени, ВК) 500-2.000 нм 0.08-0.12 2-5 Прихватљива стабилизација 850 степени, 2х 50-200 нм 0.10-0.15 5-10Не препоручује се (више удубљења, ситније честице)
Стабилизација 900 степени, 4х 100-300 нм 0.10-0.15 3-8 Не препоручује се (више удубљења)
Као-нацртано, нема стабилизације 500-3.000 нм 0.06-0.10 1-3 Прихватљиво
Практичне препоруке за 347 у морској води, хлорисаној

За 347 обложених грејача у хлорисаној сланој води на 40 степени, следећи параметри ниобијума и стабилизацијски параметри минимизирају питтинг изазван Нб(Ц,Н):

Жељени радни век (године) Максимални Нб(Ц,Н) Запремински удео (%) Макс. Ниобијум (тежински%) Минимум угљеника и азота (% вт) Препоручена стабилизација10<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 Било која надоградња на дуплекс или 316Л
Закључак: Контрола Нб(Ц,Н) отпорности на питинг

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 јама/цм 2 и смањите радни век на 3-5 година. Инжењери који специфицирају 347 омотача за поморске хлорисане услуге морају ограничити ниобијум на 0,30-0,40% и спречити стабилизацијско жарење (које таложи фини Нб(Ц,Н)). Највећа отпорност на питинг у хлорисаној морској води је 316Л или дуплекс 2205, а не 347. Методологија која је овде предложена повезује запремински проценат Нб(Ц,Н) са густином удубљења и временом перфорације. Купци могу специфицирати 347 хемију која минимизира удубљење изазвано инклузијом у оксидирајућим морским срединама.