Hoe regelt de volumefractie van primaire Nb(C,N)-carbonitriden uit resterend titanium (0,02-0,08%) in de 347 verwarmingsmantel de dichtheid van de put-initiatielocatie in gechloreerd zeewater van 35 graden met 1,5 ppm vrij chloor

Het kleine legeringselement dat onder oxiderende omstandigheden een belangrijke put-initiator wordt

Typische 347 roestvrijstalen (Nb-gestabiliseerde) omhulde elektrische verwarmingsbuizen die worden blootgesteld aan gechloreerd zeewater (1,5 ppm vrij chloor, 20.000 ppm Cl-) bij 35 graden, zoals gebruikt in koelsystemen van kustenergiecentrales, ontziltingsvoorverwarmers of maritieme warmtewisselaars met chloordosering, bevatten resterend titanium (0,02-0,08 gew.%) afkomstig van de staalproductie (titanium-gedeoxideerd schroot of opzettelijke toevoeging). Er worden primaire titaniumrijke niobiumcarbonitriden (Nb,Ti)(C,N) gevormd. Deze gecompliceerde carbonitriden zijn kathodischer en stabieler dan zuiver NbC, en daarom zijn het zeer efficiënte put-initiatieplaatsen onder een hoog oxidatiepotentieel van gechloreerd zeewater. Voor titaniumniveaus<0.01% primary carbonitride volume fraction <0.01-0.02 %, pit density <0.5 pits/cm² and service life >10 jaar. Naarmate het titaniumgehalte toeneemt van 0,03 naar 0,05%, neemt de volumefractie van carbonitride toe van 0,04 naar 0,08%, de putdichtheid van 2 naar 5 pits/cm² en de levensduur van 5 naar 7 jaar. Bij titaniumniveaus van 0,06-0,08% bedraagt ​​de volumefractie 0,10-0,15% en bedraagt ​​de putdichtheid meer dan 10-20 putjes/cm² en vindt perforatie plaats in 2-3 jaar. Dit artikel kwantificeert het verband tussen de resterende titaniumconcentratie, het volumepercentage van primair carbonitride, de putinitiatiedichtheid en de levensduur in gechloreerd zout water.

Mechanisme van met titanium versterkte pitching-initiatie

Titanium heeft een grotere affiniteit voor koolstof en stikstof dan niobium. Bij de staalproductie produceert titanium (tot 0,02-0,08%) bij voorkeur titaniumrijke carbonitriden (Ti(C,N)) die ook niobium (Nb,Ti)(C,N) kunnen bevatten. Deze deeltjes worden tijdens het stollen bij hoge temperatuur gevormd en zijn groter (3-10 µm) en stabieler dan puur NbC. In gechloreerd zeewater (hoog oxidatiepotentieel door Cl2) is het kathodische proces (zuurstofreductie + chloorreductie) bijzonder efficiënt op deze carbonitrideoppervlakken, waardoor een sterk galvanisch koppel wordt gevormd met de omringende austenitische matrix. Snelle anodische oplossing wordt veroorzaakt door een hoge kathodische stroomdichtheid. De hoge chlorideconcentratie leidt tot snelle putinitiatie en -propagatie.

Kwantitatieve relatie tussen titaniumgehalte, volumefractie van carbonitride en putdichtheid

De volgende putinitiatiedichtheden en perforatietijden zijn vastgesteld voor 347 buizen met verschillende resterende titaniumgehalten (constant niobium 0,40%, koolstof 0,05%, stikstof 0,04%) in gechloreerd synthetisch zeewater (1,5 ppm vrij Cl2, 20.000 ppm Cl, pH 8,0) bij 35 graden gedurende 5000 uur.

Titanium (gew.%) Volumefractie van primair (Nb,Ti)(C,N) (%)Carbonitride Deeltjesgrootte (μm) Deeltjesmorfologie Putdichtheid na 5.000 uur (pits/cm²) Maximale putdiepte na 5.000 uur (μm) Tijd tot perforatie (1,5 mm wand, jaren) Aanbevolen voor gebruik met 35 graden gechloreerd zeewater<0.005 (Ti-free) <0.01 <1 None/rare <0.1 <10 >15 Best 0.005-0.010 0.01-0.02 1-2 Isolated 0.2-0.5 10-20 10-15 Yes 0.010-0.020 0.02-0.03 1-3 Scattered 0.5-1.0 15-30 8-12 Acceptable 0.020-0.030 0.03-0.05 2-4 Moderate 1-3 25-45 5-8 Marginal 0.030-0.040 0.05-0.07 2-5 Frequent 2-5 35-60 4-6 Not recommended 0.040-0.050 0.07-0.09 3-6 Numerous 4-8 50-80 3-4 No 0.050-0.060 0.09-0.12 3-8 Extensive 8-15 60-100 2-3 No 0.060-0.080 0.12-0.16 4-10 High density 15-30 80-130 1.5-2 No >0.080 >0.16 >5 Very high >30 >130 <1.5 No
Over de interactie tussen Ti en Nb bij de vorming van carbonitride

Hoger niobium kan het nadelige effect van titanium gedeeltelijk compenseren door bij voorkeur NbC te produceren, maar titanium verdeelt zich nog steeds in carbonitriden.

Titanium (gew.%) Niobium (gew.%) Carbonitride Samenstelling Pitdichtheid (pits/cm2) Aanbevolen voor gechloreerd zeewater 0.02 0.35 Ti-rijk (Ti,Nb)(C,N) 2-4 Marginaal 0.02 0.45 Meer Nb-rijk 1-2 Acceptabel 0.02 0.55 Meestal NbC + spoor Ti 0,5-1 Ja 0.05 0.35 Ti+Nb gemengd 8-12 Nee 0.05 0.50 Ti+Nb gemengd 4-6 Niet aanbevolen 0.05 0.65 Meer Nb-rijk, sommige Ti 2-4 Marginaal
Praktische aanbevelingen voor 347 in zeewaterchloor

Voor 347 verwarmingstoestellen met mantel in gechloreerd zout water van 35 graden minimaliseren de volgende beperkingen van titanium en niobium putjes als gevolg van de vorming van carbonitride.

Desired Service Life @ 35C (years) Maximum Titanium (wt%) Minimum Niobium (wt%) Recommended Combined Limit Alternate Alloy >10 <0.01 0.45 Ti+Nb not applicable 347 acceptable 8-10 <0.02 0.50 Upgrade to 316L or duplex
5-8 <0.03 0.55 347 not recommended Duplex 2205 3-5 <0.04Not effective 347 unsuitable Duplex 2205 or titanium <3 >0,04 Niet effectief 347 ongeschikt Titanium
Verificatie van de hoeveelheid titanium en de dichtheid van carbonitride

Voor kopers die 347 nodig hebben voor gechloreerde zeewaterservice zijn er twee verificatietechnieken. De eerste is een chemische analyse voor titanium, hetzij door ICP, hetzij door OES. Acceptatie: Ti<0.01-0.02% for life >8 jr. De tweede is metallografisch (SEM 1.000-2.000×) onderzoek op een gepolijste dwarsdoorsnede om primaire carbonitridedeeltjes te tellen (helder, hoekig, 2-10 µm). Aanvaarding:<5 particles/mm^2 for 5 year life.

Conclusie: Ultra-lage titaniumspecificatie voor weerstand tegen putjesvorming in gechloreerd zeewater

In 347 roestvrijstalen verwarmingsmantels produceert resterend titanium van slechts 0,02-0,03% primaire (Nb,Ti)(C,N) carbonitride-volumefracties van 0,03-0,05% in gechloreerd zeewater (1,5 ppm Cl₂, 20.000 ppm Cl⁻) bij 35 graden, en neemt de putdichtheid toe van<1 pit/cm² to 2-5 pits/cm² and service life decreases from >8-10 years to 4-6 years. At titanium levels of 0.05-0.08% pit density is >15-30 putjes/cm2 en perforatie treedt op na 2-3 jaar. Ingenieurs die specificaties schrijven voor 347-omhulsels voor gechloreerde maritieme toepassingen moeten titanium beperken tot<0.01-0.02% and for the highest pitting resistance upgrade to 316L or duplex 2205. The framework presented here allows buyers to specify 347 chemistry that minimises titanium induced pitting in the most aggressive oxidising marine environments by correlating residual titanium content with primary carbonitride volume fraction, pit initiation density and perforation time in chlorinated seawater.