W jakiej konkretnej kombinacji stężenia rozpuszczonego tlenu i pH w wodzie zasilającej płaszcz grzejnika ze stali nierdzewnej 316 ulega przepływowi-Przyspieszonej korozji (FAC) w temperaturze 200 stopni w wodzie zasilającej kocioł-z dużą prędkością

Rozpuszczanie warstwy pasywnej w wodzie o wysokiej czystości i wysokiej temperaturze

The high velocity boiler feedwater systems operating at 200°C (typical for high-pressure boiler economisers or feedwater heaters) can be a problem for 316 stainless steel sheathed electric heating tubes due to flow-accelerated corrosion (FAC), which is thought to be immune to this phenomenon (which occurs mainly in carbon and low-alloy steels). The FAC of 316 is different from the traditional FAC of magnetite (Fe3O4) layers on carbon steel where it is a direct dissolution of passive film by the combined impacts of high flow velocity, high temperature and unique water chemistry. The passive film on 316 dissolves at 200°C, when the dissolved oxygen is less than 5 ppb (deaerated) and the pH is greater than 9.5 or less than 6.5. Under such conditions wall thinning rates of 0.1-0.5 mm/year have been seen in high velocity zones (>5 m/s). W artykule oceniono progi rozpuszczonego tlenu i pH dla inicjacji FAC na 316 osłonach w temperaturze 200 stopni.

Mechanizm wysokotemperaturowej rozpuszczalności folii pasywnych

W wodzie o wysokiej-temperaturze (200 stopni) warstwa pasywna materiału 316 składa się z dwuwarstwy tlenku chromu (Cr₂O₃) i spinelu żelazowo-chromowego (FeCr₂O₄). Tlenki te są bardzo wrażliwe na pH i rozpuszczony tlen ze względu na ich rozpuszczalność. Po odpowietrzeniu (DO<5 ppb) the corrosion potential is in the active or passive-transition area where the passive film is less stable . At high pH (>9.5) tlenek chromu rozpuszcza się w postaci chromitu (CrO 2-) lub chromianu (CrO 4 2-). Przy niskim pH (<6.0) the film dissolves into Cr3+ ions. High flow velocity (>3-5 m/s) stale usuwa rozpuszczone substancje i zapobiega repasywacji oraz utrzymuje wysoką szybkość rozpuszczania. Energia aktywacji dla FAC 316 wynosi około 40-60 kJ/mol, co oznacza, że ​​szybkość korozji podwaja się co 15-25 stopni powyżej 150 stopni.

Ilościowe progi FAC wynoszące 316 przy 200 stopniach w wodzie o dużej-prędkości

Poniżej przedstawiono szybkość korozji i zachowanie pocieniania ścianek stali nierdzewnej 316 w kontrolowanym teście pętli w temperaturze 200 stopni ze zmianami rozpuszczonego tlenu, pH i prędkości przepływu.

Rozpuszczony tlen (ppb) pH w temperaturze 200 stopni Prędkość przepływu (m/s) Rozpuszczalność dominującego tlenku Szybkość FAC (mm/rok) Czas do 0,5 mm Utrata ścianki (godziny) Zalecane dla pracy w temperaturze 200 stopni<5 (deaerated) 6.5-7.5 Any Minimal <0.02 >25 000 Tak<5 7.5-8.5 <3 Minimal <0.02 >25 000 Tak<5 7.5-8.5 3-5 Slight 0.02-0.05 10,000-25,000 Acceptable <5 8.5-9.5 3-5 Cr(OH)3 solubility 0.05-0.15 3,500-10,000 Not recommended <5 9.5-10.5 >3 Rozpuszczanie chromitu 0.15-0.40 1,250-3,500 Niedopuszczalne<5 >10.5 Any Rapid chromite >0.40 <1,250 Unacceptable <5 5.5-6.5 >3 Cr3+ rozpuszczalność 0.10-0.30 1,700-5,000 Niedopuszczalne<5 <5.5 Any Rapid Cr3+ >0.30 <1,700 Unacceptable
5-20 (low) 8.5-9.5 >3 Zmniejszona rozpuszczalność 0.03-0.08 6,000-17 000 Marginalna
20-100 (moderate) 8.5-9.5 >5 Folia pasywna stabilizowana<0.02 >25,000 Yes 20-100 9.5-10.5 >5 Some stabilization 0.02-0.05 10,000-25,000 Acceptable >100Dowolny Dowolny W pełni pasywny<0.02 >25 000 Tak
FAC 316 jest w dużym stopniu zależny od prędkości przepływu.

Prędkość przepływu jest współczynnikiem skalującym, który przekształca rozpuszczalność folii pasywnej w zmierzone pocienienie ścianek. Poniższa tabela pokazuje zależność prędkości w temperaturze 200 stopni C, warunkach odpowietrzonych, pH 9,2 (strefa marginalna).

Prędkość przepływu (m/s) Naprężenie ścinające ściany (Pa, szacunkowe) Szybkość FAC @ DO<5 ppb, pH 9.2 (mm/yr)Time to 50% of Original 1.5 mm Wall Loss(hours) Recommended Maximum Velocity for 10-Year Life <1 <10 <0.01 >75,000 Safe 1-2 10-20 0.01-0.03 25,000-75,000 Safe 2-3 20-35 0.03-0.06 12,500-25,000 Acceptable 3-5 35-60 0.06-0.12 6,000-12,500 Marginal (monitor) 5-8 60-100 0.12-0.20 3,750-6,000Not recommended 8-12 100-150 0.20-0.35 2,000-3,750 Unacceptable >12 >150 >0.35 <2,000 Not acceptable
Specyfikacja projektu i praktyczna chemia wody w podgrzewaczach wody zasilającej w temperaturze 200 stopni

Obudowane grzejniki 316 pracujące w temperaturze 200 stopni w wodzie zasilającej kocioł o dużej prędkości są chronione przed korozją przyspieszoną przez przepływ dzięki następującym wymaganiom.

Typ wody zasilającej Docelowy rozpuszczony tlen (ppb) Zalecane pH, 200 stopni Maksymalna prędkość przepływu w płaszczu (m/s) Oczekiwana żywotność podgrzewacza (lata)
Cała terapia lotna (AVT) - redukcja 2-5 8.0-8.5 3.0 8-10
Całość-obróbka lotna (AVT) - utleniająca 50-100 8.0-8.5 5.0 10-15
Oxygenated therapy (OT) 100-300 8.0-8.5 6.0 >15 
Fosforanowanie 5-20 8.5-9.0 3.0 5-8 (monitor)
Any treatment with pH >9.5 N/A >9.5 <2.0 5-10 (316 marginal)
Identyfikacja terenowa FAC na osłonach grzejników 316

The FAC on a 316 heater will produce unique surface features that are different from conventional corrosion mechanisms in high temperature, high velocity feedwater. The surface is smooth, polished or "orange-peel" in appearance with no pitting or scale. The wall thinning is homogeneous at the high velocity zones (e.g. pipe entry, directly facing the flow). The thinning is often a steady drop of outside diameter throughout the heater length. Scanning electron microscopy (SEM) shows a smooth, featureless surface, with no attack at the grain boundaries. Water chemistry log will show pH >9,5 lub<6.0 and dissolved oxygen <5-20 ppb for prolonged durations. For such failures the answer is to adjust water chemistry to keep pH in the 8.0-8.5 range, and dissolved oxygen >20-50 ppb (jeśli jest to zgodne z całym systemem) lub ograniczyć prędkość przepływu poprzez umieszczenie grzejnika w obejściu lub studni destylacyjnej. Podatność na FAC można wyeliminować, przechodząc na tytan lub stop 825.

Podsumowanie: Chemia wody zasilającej i zarządzanie prędkością w celu zapobiegania FAC

Przyspieszona korozja przepływowa grzejników w obudowie ze stali nierdzewnej 316 w wodzie zasilającej kocioł o temperaturze 200 stopni zachodzi w warunkach odpowietrzonych (DO<5-10 ppb) in combination with alkaline pH >9,5 lub kwaśne pH<6.0 and flow velocities >3-5 m/sec. Under these conditions, the passive film is dissolved as chromite or chromium ions, resulting in wall thinning rates of 0.1-0.5 mm/year. For high temperature feedwater service with 316 sheaths, engineers should stipulate pH of 8.0-9.0, dissolved oxygen >20 ppb (ideally 50-100 ppb) and a flow velocity below 3-4 m/s at the sheath surface. If high velocity (>5 m/s) cannot be avoided, oxidising water treatment (oxygenated treatment, OT) with DO >100 ppb ustabilizuje folię pasywną i pozwoli uniknąć FAC. Podana tutaj metodologia wiąże rozpuszczony tlen, pH i prędkość przepływu z mierzalnymi szybkościami FAC w temperaturze 200 stopni i pozwala kupującemu zdefiniować skład chemiczny wody i parametry hydrauliczne, które pozwolą utrzymać warstwę pasywną na osłonach grzejnika 316 podczas pracy z wodą zasilającą kocioł o dużej prędkości.