Pod jaką konkretną kombinacją poziomu rozpuszczonego tlenu i prędkości przepływu płaszcz grzejnika ze stali nierdzewnej 316 przechodzi ze stanu pasywnego w erozję-Korozję w- wodzie o wysokiej temperaturze

Mechaniczne usunięcie folii pasywnej jako mechanizm awarii

Erozja-korozja elektrycznych rur grzejnych osłoniętych stalą nierdzewną 316 i zanurzonych w wodzie o wysokiej temperaturze (80-100 stopni) zawierających zawieszone ciała stałe lub pracujących przy dużych prędkościach przepływu. Warstwa pasywna pozostaje nienaruszona lub usunięta mechanicznie w wyniku-erozji, w zależności od kombinacji poziomu rozpuszczonego tlenu i prędkości płynu. Warstwa pasywna-odtwarza się ponownie tak szybko, jak jest usuwana, a szybkość korozji poniżej progów krytycznych wynosi poniżej 0,05 mm rocznie. Powyżej szybkości krytycznej szybkość usuwania mechanicznego przewyższa szybkość repasywacji, a utrata metalu przyspiesza do 1 do 5 mm/rok, co wystarcza do przebicia ściany o grubości 1,5 mm w ciągu 3 do 18 miesięcy. W artykule tym oszacowano progi-prędkości rozpuszczonego tlenu dla inicjacji erozji i korozji na 316 powłokach i przedstawiono porady projektowe dotyczące dynamiki płynów zapewniające niezawodne działanie.

Mechanizm sprzężenia elektrochemicznego-mechanicznego

Korozja erozyjna stali nierdzewnej 316 w wodzie wymaga trzech czynników: płynu przepływającego po powierzchni metalu w celu wytworzenia naprężenia ścinającego, wystarczającej ilości rozpuszczonego tlenu do podtrzymania aktywności katodowej oraz zawieszonych cząstek ściernych lub-pęcherzyków o dużej prędkości, które mogą mechanicznie zakłócać warstwę pasywną. W czystej wodzie, z dużą prędkością i bez cząstek, folia pasywna może pozostać nienaruszona, ponieważ sama siła ścinająca (do 10-20 Pa) nie przekracza siły przyczepności folii. Jednakże przy około 2 ppm rozpuszczonego tlenu szybkość repasywacji spada i nawet łagodne naprężenie ścinające może uniemożliwić tworzenie się stabilnego filmu. Z drugiej strony, przy dużej zawartości rozpuszczonego tlenu (ponad 5 ppm) repasywacja jest szybka i folia może wytrzymać większe prędkości. Najgorsze warunki panują przy pośrednich poziomach tlenu (0,5–2 ppm), gdzie repasywacja jest stopniowa, ale prąd katodowy jest wystarczający, aby sprzyjać rozpuszczaniu anodowemu w dowolnym miejscu gołego metalu.

Ilościowa erozja-Progi korozji 316 w temperaturze 90°C

Testy pętli przepływowej i elektrody wirującego cylindra na 316 próbkach stali nierdzewnej w wodzie o temperaturze 90 stopni (pH 7,5, 100 ppm chlorku) systematycznie określały prędkość przepływu i kombinacje rozpuszczonego tlenu, które powodują erozji-szybkość korozji przekraczającą 0,1 mm rocznie.

Rozpuszczony tlen (ppm) Prędkość przepływu (m/s) Zawieszone ciała stałe (ppm, krzemionka 50 µm) Erozja-Szybkość korozji (mm/rok) |Czas do perforacji (ściana 1,5 mm) Zalecany mechanizm<0.05 >30 years Passive Yes >5 3-5 0 0.05-0.10 15-30 years Marginal Acceptable >5 5-8 0 0.10-0.25 6-15 years Transition Monitor >5 >8 0.25-0.50 3-6 lat Erozja-korozjaNiewskazane
2-5 <2 0.05-0.10 15-30 yearsAcceptable Yes 2-5 2-4 0 0.10-0.20 7-15 years MarginalAcceptable on inspection
2-5 4-6 0.20-.40 4-7 lat Erozja-ŻrącyNiezalecany do długotrwałego stosowania
1-2 <1 0 0.10-0.20 7-15 yr.Instability of passive filmAcceptable with low chloride
1-2 1-2 0 0.20-0.50 3-7 latKontrola mieszana Niezalecane
0.5-1 <0.5 0 0.15-0.30 5-10 yearsLow oxygen corrosion Marginal 0.5-1 >0.5 0 0.30-1.00 1.5-5 lat Korozja erozyjna Niedopuszczalne<0.5 Any 0 >0.50 <3 years Active corrosion (deaerated) Unacceptable >5 2-3 100 0.15-0.30 5-10 lat Erozja cząstek Dopuszczalna przy małej prędkości5 3-5 100 0.30-0.70 2-5 lat Ekstremalna erozja Niezalecane5 5-8 100 0.70-2.00 1-2 lat Niedopuszczalne Nie
Uderzenie pęcherzyków i efekty zawieszonych ciał stałych

Zawiesiny ciał stałych znacznie zmniejszają-próg prędkości erozji. Przy prędkościach przepływu tak niskich jak 2-3 m/s, woda zawierająca 100 ppm twardych, kanciastych cząstek (np. piasku lub krzemionki) może spowodować erozję warstwy pasywnej na materiale 316, powodując utratę metalu 3-5 razy większą niż w przypadku czystej wody przy tej samej prędkości. Najbardziej szkodliwą sytuacją dla osłon grzejników nie jest równomierny przepływ, ale zlokalizowane uderzenie na zakrętach, kolankach lub przed osłonami termometrycznymi, gdzie przepływ przyspiesza, a cząsteczki uderzają w powierzchnię. Pęcherzyki gazu (spowodowane kawitacją lub flashowaniem) w podobny sposób powodują erozję. Jeśli w aplikacji występują cząstki zawieszone, maksymalna zalecana prędkość przepływu dla osłon 316 spada do 1,5–2,0 m/s niezależnie od poziomu rozpuszczonego tlenu.

Praktyczne zalecenia projektowe dla usług o wysokim przepływie

Three design solutions prevent erosion-corrosion for 316 encased heaters in high-flow water systems (pumped circulation loops, heat exchangers, and cooling towers). The first method is to place the heater in a flow bypass or stilling well to reduce the local velocity at the sheath to less than 1 m/s while maintaining bulk flow in the main pipe. The second is to place the heater parallel to flow (axial alignment) rather than perpendicular, so that the drag force and shear stress are reduced by a ratio of 5-10. The third is to specify a thicker sheath wall (2.0 to 2.5 mm) to offer more corrosion allowance but this does not prevent initiation of erosion corrosion. If high velocity (>3 m/s) i niską zawartość rozpuszczonego tlenu (< 2 ppm) are unavoidable in the system, then duplex 2205 stainless steel or Alloy 625 should be considered for upgrade.

Rozpoznawanie w terenie uszkodzeń erozyjnych i korozyjnych

Cechy powierzchni charakterystyczne dla erozji-korozyjnej grzejników pracujących przy wysokim-przepływie różnią się od cech charakterystycznych dla korozji wżerowej lub szczelinowej. Uszkodzony obszar jest zwykle gładki, wypolerowany lub wygląda-nacięty wodą, często z rowkami skierowanymi równolegle do kierunku przepływu (wgłębienia w kształcie podkowy-lub komety). Utrata metalu rozkłada się na uszkodzony obszar, a nie na jedną skoncentrowaną dziurę. Przy dużym powiększeniu powierzchnia nie wykazuje odkształceń plastycznych i rozmazywania metalu, ani nie widać krystalograficznych ścianek SCC ani okrągłych wżerów chlorkowych. Erozję-korozję należy podejrzewać, jeśli grzejnik był używany przez ponad 1-2 lata w wodzie o prędkości większej niż 3 m/s i stężeniu rozpuszczonego tlenu poniżej 2 ppm. Aby dokonać wymiany, należy zmierzyć prędkość przepływu w miejscu nagrzewnicy i zmniejszyć ją, aby mieściła się w bezpiecznej strefie określonej w powyższej tabeli.

Wniosek: kontrolowanie przepływu i tlenu w celu zapewnienia niezawodności osłony 316

Erozja-korozja grzejników w obudowie ze stali nierdzewnej 316 pracujących w wodzie o wysokiej temperaturze rozpoczyna się, gdy prędkość przepływu i poziom rozpuszczonego tlenu nie są wystarczające, aby umożliwić utworzenie stabilnej warstwy pasywnej. W czystej wodzie zawierającej rozpuszczony tlen w ilości przekraczającej 5 ppm dopuszczalne są prędkości przepływu do 5 m/s. Maksymalna prędkość przy rozpuszczonym tlenie 2-5 ppm spada do 3-4 m/s. Utrata metalu następuje w przyspieszonym tempie przy prędkościach powyżej 1 m/s przy stężeniu rozpuszczonego tlenu poniżej 2 ppm. Zawieszone cząstki zmniejszają dopuszczalne prędkości o współczynnik 2 do 3. 316 W przypadku prędkości przepływu, odczytów rozpuszczonego tlenu i w porównaniu z progami pokazanymi w powyższej tabeli, osłony przeznaczone dla systemów z obiegiem pompowym muszą być mierzone lub obliczane lokalnie na powierzchni grzewczej. Proponowane tutaj podejście umożliwia kupującym zaprojektowanie warunków przepływu, które podtrzymają powłokę pasywną i pozwolą uniknąć przedwczesnego ścieńczenia ścianek, poprzez powiązanie rozpuszczonego tlenu, prędkości i obciążenia cząstkami z ilościowymi szybkościami erozji i korozji.