چگونه کسر حجمی ذرات کربنیترید Nb(C,N) اولیه در لوله غلاف گرمکن 347 چگالی محل شروع حفره را در آب دریا با کلر بالا (2ppm Cl2) در 40 درجه کنترل می کند

گنجاندن مجتمع به عنوان محل اصلی هسته زایی گودال Vat در شرایط اکسیداسیون

ذرات پیچیده کربنیترید نیوبیوم (Nb(C,N)) محل اصلی برای شروع حفره در لوله‌های گرمایش الکتریکی غلافدار فولاد ضد زنگ 347 (Nb{-تثبیت‌شده) در آب دریای کلردار (2 ppm کلر باقی‌مانده، 20000 ppm کلر باقی‌مانده، 20000 ppm خنک‌کننده معمولی در سیستم‌های خنک‌کننده 40 ppm) هستند. گیاهان، پیش گرم کن های نمک زدایی یا مبدل های حرارتی دریایی. برخلاف اجزای MnS (که در شرایط کلردار حل می شوند) یا Al2O3 (که بی اثر هستند)، ذرات Nb(C,N) نیمه رسانا هستند و می توانند مانند TiN در 316L به ماتریس 347 کاتدی باشند. چگالی شروع گودال به طور مستقیم با کسر حجمی Nb(C,N) (تعیین شده توسط محتوای نیوبیم، کربن و نیتروژن) متناسب است. برای کسرهای حجمی 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 حفره در سانتی متر مربع و سوراخ شدن در عرض 2-3 سال. در این مقاله، ارتباط بین کسر حجمی Nb(C,N)، چگالی شروع گودال و عمر مفید در آب دریای کلردار در دمای 40 درجه کمی شده است.

مکانیسم Nb(C,N)-حفره‌زنی ترویجی در آب دریای کلردار

کربنیترید نیوبیم (Nb(C,N)) یک ماده مکعبی (FCC) با رسانایی الکتریکی عالی و ماتریس کاتدی به آستنیتی است. در آب شور کلردار (پتانسیل اکسیداسیون بالا به دلیل Cl2)، واکنش کاتدی (کاهش اکسیژن و کاهش کلر) به طور موثر بر روی سطوح Nb(C,N) رخ می دهد و یک جفت گالوانیکی را تشکیل می دهد که باعث انحلال آندی ماتریس 347 نزدیک می شود. برخلاف MnS که حل می شود، Nb(C,N) پایدار است و به حرکت جریان گالوانیکی ادامه می دهد. چگالی شروع گودال به طور مستقیم با تعداد ذرات Nb(C,N) روی سطح مرتبط است.

همبستگی کمی بین کسر حجمی Nb(C، N) و چگالی حفره‌ای

آزمایش غوطه وری کنترل شده 347 لوله (0.08% C، 0.06% N) با محتویات مختلف نیوبیم (برای تغییر کسر حجمی Nb(C,N)) در آب دریا مصنوعی کلردار (2 ppm Cl 2، 20000 ppm Cl-) در دمای 40 درجه در حفره های زیر به مدت 5 ساعت انجام شد.

محتوای نیوبیوم (wt%) کربن (wt%) نیتروژن (wt%) Nb(C,N) کسر حجمی (%) Nb(C,N) اندازه ذرات (μm) چگالی گودال بعد از 5000 ساعت (گودال/cm2) حداکثر عمق گودال (μm) زمان تا سوراخ شدن (1.5 میلی‌متر توصیه شده در دیواره، 0 درجه سانتی‌گراد توصیه شده برای سالها)<0.05 (No Nb) 0.08 0.06 <0.01 <1 <0.1 <10 >15 بله (اما تثبیت نشده)
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
مورفولوژی Nb (C، N) تحت تاثیر عملیات حرارتی تثبیت

یک آنیل تثبیت کننده (850-900 درجه) باعث رسوب ذرات Nb(C,N) ریزتر و مکررتر می شود که اگر نیوبیم بیش از حد باشد، ممکن است چگالی گودال را افزایش دهد.

عملیات حرارتی Nb(C,N) اندازه ذرات (nm) Nb(C,N) کسر حجمی (%) چگالی گودال (گودال/cm2، 0.50% Nb) برای آب دریای کلر توصیه شده
تنها بازپخت محلول (1050 درجه، WQ) 500-2000 نانومتر 0.08-0.12 2-5 تثبیت قابل قبول 850 درجه، 2 ساعت 50-200 نانومتر 0.10-0.15 5-10توصیه نمی‌شود (حفره‌های بیشتر، ذرات ریزتر)
تثبیت 900 درجه، 4 ساعت 100-300 نانومتر 0.10-0.15 3-8 توصیه نمی شود (حفره های بیشتر)
همانطور که- ترسیم شده، بدون تثبیت 500-3000 نانومتر 0.06-0.10 1-3 قابل قبول است
توصیه های عملی برای 347 در آب دریا، کلردار

برای 347 بخاری غلاف در آب نمک کلر در دمای 40 درجه، پارامترهای نیوبیوم و تثبیت زیر حفره‌های ناشی از Nb(C,N) را به حداقل می‌رسانند:

طول عمر مطلوب (سال) حداکثر Nb(C,N) کسر حجمی (%) حداکثر. نیوبیم (wt%) حداقل کربن و نیتروژن (% wt) تثبیت توصیه شده 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 هر ارتقا به دوبلکس یا 316 لیتر
نتیجه گیری: کنترل Nb(C,N) برای مقاومت حفره ای

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 گودال/cm 2 و عمر مفید را به 3-5 سال کاهش دهید. مهندسانی که 347 غلاف را برای خدمات کلردار دریایی مشخص می کنند باید نیوبیوم را به 0.30-0.40٪ محدود کنند و از بازپخت تثبیت کننده جلوگیری کنند (که Nb(C,N) ریز را رسوب می دهد). بالاترین مقاومت حفره ای در آب دریای کلردار 316 لیتر یا دوبلکس 2205 به جای 347 است. روش پیشنهادی در اینجا درصد حجم Nb(C,N) را به چگالی گودال و زمان سوراخ شدن مرتبط می کند. خریداران می توانند شیمی 347 را مشخص کنند که حفره های ناشی از ورود را در محیط های دریایی اکسید کننده به حداقل می رساند.