¿Cómo controla la fracción de volumen de las partículas primarias de carbonitruro de Nb(C,N) en el tubo de la funda del calentador 347 la densidad del sitio de inicio de las picaduras en agua de mar con alto contenido de -cloro (2 ppm Cl₂) a 40 grados?

La inclusión compleja como principal sitio de nucleación de Vat Pit en condiciones oxidantes

Las partículas complejas de carbonitruro de niobio (Nb(C,N)) son los principales sitios para el inicio de las picaduras en tubos de calentamiento eléctrico revestidos de acero inoxidable 347 (Nb-estabilizado) en agua de mar clorada (2 ppm de cloro residual, 20 000 ppm de Cl−) a 40 grados, típico de los sistemas de enfriamiento de plantas de energía costeras, precalentadores de desalinización o intercambiadores de calor marinos. A diferencia de las inclusiones de MnS (que se disuelven en circunstancias cloradas) o Al2O3 (que son inertes), las partículas de Nb(C,N) son semiconductoras y pueden ser catódicas a la matriz 347 como el TiN en 316L. La densidad de iniciación de la picadura es directamente proporcional a la fracción en volumen de Nb(C,N) (determinada por el contenido de niobio, carbono y nitrógeno). Para fracciones en volumen de 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 fosas/cm2 y perforación en 2-3 años. En este artículo, se cuantifica el vínculo entre la fracción de volumen de Nb(C,N), la densidad de iniciación del pozo y la vida útil en agua de mar clorada a 40 grados.

Mecanismo de picaduras promovidas por Nb(C,N)-en agua de mar clorada

El carbonitruro de niobio (Nb(C,N)) es un material cúbico centrado en las caras (FCC) con excelente conductividad eléctrica y matriz catódica a austenítica. En agua salada clorada (alto potencial de oxidación debido al Cl2), la reacción catódica (reducción de oxígeno y reducción de cloro) ocurre eficientemente en las superficies de Nb(C,N), formando un par galvánico que causa la disolución anódica de la matriz 347 cercana. A diferencia del MnS que se disuelve, el Nb(C,N) es estable y continúa impulsando la corriente galvánica. La densidad de iniciación de las picaduras está directamente relacionada con el número de partículas de Nb(C,N) en la superficie.

Correlación cuantitativa entre la fracción de volumen Nb(C, N) y la densidad de picaduras

Las pruebas de inmersión controlada de 347 tubos (0,08% C, 0,06% N) con diferentes contenidos de niobio (para cambiar la fracción de volumen de Nb(C,N)) en agua de mar sintética clorada (2 ppm Cl 2, 20 000 ppm Cl-) a 40 grados durante 5000 horas han establecido las siguientes densidades de iniciación de picaduras.

Contenido de niobio (% en peso) Carbono (% en peso) Nitrógeno (% en peso) Nb(C,N) Fracción de volumen (%) Nb(C,N) Tamaño de partícula (μm) Densidad de la picadura después de 5000 h (picaduras/cm2) Profundidad máxima de la picadura (μm) Tiempo hasta la perforación (pared de 1,5 mm, años) Recomendado para servicio de agua de mar clorada a 40 grados<0.05 (No Nb) 0.08 0.06 <0.01 <1 <0.1 <10 >15 Sí (pero no estabilizado)
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
Morfología de Nb (C, N) según la influencia del tratamiento térmico de estabilización

Un recocido de estabilización (850-900 grados) provoca la precipitación de partículas de Nb(C,N) más finas y frecuentes, lo que podría mejorar la densidad de las picaduras si hay exceso de niobio.

Tratamiento térmico Nb(C,N) Tamaño de partícula (nm) Nb(C,N) Fracción de volumen (%) Densidad de picaduras (picaduras/cm2, 0,50% Nb) Recomendado para agua de mar clorada
Recocido en solución únicamente (1050 grados, WQ) 500-2000 nm 0.08-0.12 2-5 Estabilización aceptable 850 grados, 2 h 50-200 nm 0.10-0.15 5-10No recomendado (más picaduras, partículas más finas)
Estabilización 900 grados, 4h 100-300 nm 0.10-0.15 3-8 No recomendado (más hoyos)
Tal como-dibujado, sin estabilización 500-3000 nm 0.06-0.10 1-3 Aceptable
Recomendaciones prácticas para el 347 en agua de mar clorada.

Para calentadores enfundados 347 en agua salada clorada a 40 grados, los siguientes parámetros de niobio y estabilización minimizan las picaduras inducidas por Nb(C,N):

Vida útil deseada (años) Nb(C,N) máximo Fracción de volumen (%) Máx. Niobio (% en peso) Estabilización mínima de carbono y nitrógeno (% en peso) recomendada10<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 Cualquier actualización a dúplex o 316L
Conclusión: Control de Nb(C,N) para la resistencia a las picaduras

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 hoyos/cm 2 y reducir la vida útil a 3-5 años. Los ingenieros que especifican vainas 347 para servicio marino clorado deben limitar el niobio a 0,30-0,40% y evitar el recocido de estabilización (que precipita Nb(C,N) fino). La mayor resistencia a las picaduras en agua de mar clorada es 316L o dúplex 2205 en lugar de 347. La metodología propuesta aquí vincula el porcentaje de volumen de Nb(C,N) con la densidad de las picaduras y el tiempo de perforación. Los compradores pueden especificar una química 347 que minimice las picaduras inducidas por la inclusión en ambientes marinos oxidantes.