Jaka krytyczna szerokość szczeliny pomiędzy osłoną grzejnika ze stali nierdzewnej 316 a jej kołnierzem montażowym inicjuje przyspieszone wżery w wodzie chlorkowej o stężeniu 200 ppm i temperaturze 80 stopni

Geometryczna granica wyczerpania się tlenu i lokalnego zakwaszenia

Pęknięcie pomiędzy osłoną a elementem montażowym jest najbardziej wrażliwym miejscem na miejscową korozję grzałek zanurzeniowych w obudowie ze stali nierdzewnej 316 montowanych poprzez kołnierze lub ściany zbiornika. Gdy szczelina szczelinowa zostanie zmniejszona do szerokości krytycznej, zwykle od 0,1 mm do 0,5 mm, w zależności od stężenia chlorku i temperatury, dostęp dużej ilości wody jest ograniczony, a tlen jest usuwany ze szczeliny. Następnie wzrasta stężenie chlorków i spada pH, co prowadzi do przyspieszonej korozji wżerowej i szczelinowej. Osłona 316 ze szczeliną mniejszą niż 0,3 mm w wodzie chlorkowej o stężeniu 200 ppm rozpocznie korozję szczelinową w ciągu 6–12 miesięcy w temperaturze 80 stopni, ale identyczna osłona ze szczeliną większą niż 0,5 mm pozostanie pasywna przez 5+ lat. W artykule tym oszacowano niezbędną szerokość szczeliny dla osłon 316 w typowych warunkach gorącej wody i podano kryteria projektowe dla montażu bez szczelin.

Elektrochemiczny mechanizm inicjowania korozji szczelinowej

Korozja szczelinowa stali nierdzewnej 316 rozpoczyna się, gdy geometria szczeliny utrudnia konwekcyjny i dyfuzyjny transfer tlenu z roztworu masowego na powierzchnię metalu w szczelinie. Tlen jest zużywany w procesach katodowych (redukcja tlenu) wewnątrz szczeliny, a lokalne stężenie tlenu spada do poziomu bliskiego zeru podczas napowietrzania roztworu masowego. Ta różnica potencjałów tworzy ogniwo galwaniczne. Zewnętrzne granice szczeliny (silnie natlenione) stają się katodą, a wnętrze szczeliny (odtlenione) staje się anodą. Jony chlorkowe są przyciągane do szczeliny w celu zneutralizowania ładunku, osiągając stężenia 10-100 razy większe niż w masie. Jednoczesna hydroliza rozpuszczonych jonów metali (Fe 3+ , Cr 3+ ) tworzy jony wodoru i obniża lokalne pH do 2-4. Zbadano wpływ wysokiego chlorku i niskiego pH na rozkład warstwy pasywnej na 316 w celu zainicjowania szybkiego rozpuszczania anodowego. Zasadnicza szerokość szczeliny to największa szerokość szczeliny, której dyfuzja tlenu nie jest w stanie skompensować zużycia tlenu. W ustawieniach statycznych lub przy niskim przepływie ta kluczowa szczelina wynosi zazwyczaj od 0,3 do 0,5 mm. Szczeliny większe niż 0,5 mm umożliwiają wystarczający przepływ tlenu, aby utrzymać bierność. Jeżeli szczeliny mają szerokość mniejszą niż 0,3 mm, ulegają odtlenieniu w ciągu kilku godzin lub dni i są atakowane przez korozję szczelinową nawet w wodzie o niskiej zawartości chlorków.

Progi korozji szczelinowej wynoszące 316 przy 80 stopniach w ilościowej ilości chlorku 200 ppm.

Systematyczne badania z użyciem przyrządów szczelinowych o regulowanej szerokości szczelin na 316 arkuszach stali nierdzewnej reprezentujących powierzchnię płaszcza grzejnika w napowietrzonej wodzie chlorkowej o stężeniu 200 ppm w temperaturze 80 stopni pozwoliły określić kluczową szczelinę szczelinową dla wystąpienia korozji szczelinowej. Test trwał 12 miesięcy i obejmował okresowo demontaż jednostek i sprawdzanie ich pod kątem ataku. Wyniki wskazują na nagłą zmianę szerokości szczeliny z 0,4 mm na 0,5 mm. Korozja szczelinowa rozpoczęła się we wszystkich próbkach na poziomie 0,4 mm lub poniżej w ciągu 6 miesięcy. Szczeliny o średnicy 0,5 mm lub większe były wolne od ataków przez całe 12 miesięcy. Ekstrapolując na długotrwałe użytkowanie, szczeliny 0,5-0,8 mm mogą rozpocząć atak po 3-5 latach w obecności nieprzyjaznego składu chemicznego wody lub cykli termicznych powodujących efekty koncentracji. Szczegółowe momenty wystąpienia korozji szczelinowej dla powłok 316 podano w poniższej tabeli jako funkcję szerokości szczeliny, stężenia chlorków i temperatury.

Szerokość szczeliny (mm) Stężenie chlorków (ppm) Temperatura (stopnie) Czas do rozpoczęcia korozji szczeliny Czas do perforacji (ściana 1,5 mm po inicjacji) Zalecany okres użytkowania 5 lat<0.1 (tight contact) 200 80 <1 month 3-6 months No 0.1-0.2 200 80 1-3 months 3-6 monthsNo 0.2-0.3 200 80 3-6 months 6-12 months No
0.3-0.4 200 80 6-9 miesięcy 9-18 miesięcy Nie 0.4-0.5 200 80 9-12 miesięcy 12-24 miesięcy Marginalne
0.5-0.7 200 80 >24 miesiące (może się nie rozpocząć) -Tak (z badaniem)
0.7-1.0 200 80 >60 miesięcy - Tak 1,0 (otwarta szczelina) 200 80 Brak korozji szczelinowej - Tak
0.5-0.7 500 80 6-12 months 12-18 months No 0.5-0.7 200 60 >60 miesięcy Tak
0.3-0.5 200 60 12-24 miesięcy 24-36 miesięcy Dopuszczalne przy monitorowaniu Szczelin geometrycznych w zespołach montażowych grzejnika

W przypadku grzałek zanurzeniowych z kołnierzem trzy częste elementy konstrukcyjne powodują powstawanie pęknięć, których szerokość jest często niższa od progu krytycznego. Pierwszą z nich są złączki zaciskowe lub kołnierze z uszczelkami, w których osłona przechodzi przez uszczelkę z elastomeru lub PTFE, która jest dociskana do metalu. Nacisk kontaktowy może zmniejszyć szczelinę prawie do zera w miejscach styku, podczas gdy w obszarach obok punktów styku mogą nadal występować szczeliny wynoszące 0,1-0,2 mm. Drugi rodzaj to tuleje spawane lub gwintowane, w których osłona jest umieszczona w bloku kołnierzowym z otworem przelotowym 0,2-0,3 mm. Luz ten mieści się w krytycznym zakresie szczeliny wymaganym jednak do montażu. Trzeci to kamień lub zanieczyszczenia gromadzące się pomiędzy osłoną a ściśle dopasowanym arkuszem rurki, zmniejszając większą szczelinę do sieci podkrytycznych szczelin. Nowe konstrukcje grzejników wymagają minimalnej szczeliny wynoszącej 1,0 mm (przy użyciu tulei o prześwicie 1,0–1,5 mm), aby zmniejszyć możliwość korozji szczelinowej. Istniejące konstrukcje wykorzystujące pełne kołnierze należy zastąpić otwartymi wspornikami lub zaciskami wsporczymi, w których osłona łączy się w dyskretnych miejscach (styki trzy- lub czteropunktowe z otwartymi szczelinami w innych miejscach), zakłócając ciągłą geometrię szczeliny.

Strategie łagodzenia nieuniknionych krytycznych luk

Jeśli parametry projektowe wymagają szczelin szczelinowych mniejszych niż 0,5 mm, na przykład w przypadku wysokociśnieniowych uszczelek kołnierzy, gdzie wymagane są ścisłe tolerancje, stosuje się trzy środki łagodzące, aby zapobiec korozji szczelinowej. Pierwszym i najbardziej udanym jest zastosowanie uszczelek polimerowych lub elastomerowych, które całkowicie uniemożliwiają przedostawanie się wody do szczeliny. Żaden elektrolit nie przedostaje się do szczeliny, dlatego też zapobiega się stężeniu chlorków i wyczerpaniu tlenu dzięki wodoszczelnemu zamknięciu zapewnionemu przez sprasowaną uszczelkę z PTFE lub EPDM. Metoda ta wymaga, aby materiał uszczelki był zgodny z temperaturą płynu (EPDM do 120 stopni, PTFE do 250 stopni). Drugie podejście polega na wybraniu bardziej-odpornego na szczeliny stopu tylko na osłonę w miejscu montażu, wykorzystując przyspawany element przejściowy ze stopu 625 lub tytanu. Materiały te mają krytyczne szczeliny mniejsze niż 0,1 mm, więc nawet małe odstępy nie mogą rozpocząć ataku. Trzecią opcją jest ochrona katodowa. Jeżeli osłona grzejnika jest połączona z protektorową anodą cynkową lub aluminiową, potencjał wewnątrz szczeliny można obniżyć poniżej potencjału wżerowego, ale wymaga to starannego zaprojektowania, aby uniknąć kruchości wodorowej osłony.

Identyfikacja korozji szczelinowej w grzejnikach zainstalowanych w terenie

W trakcie eksploatacji nagrzewnice będą wykazywać korozję szczelinową na kołnierzu montażowym w postaci pierścienia wżerów lub ogólnych ubytków bezpośrednio przylegających do kołnierza lub uszczelki, zwykle w odległości 1 do 5 mm od punktu styku. Atak jest zwykle najgłębszy, gdy szczelina jest najmniejsza. Jeśli zajrzysz pod zdemontowany kołnierz, możesz zobaczyć, że skorodowany obszar to ciemny pas z wżerami, bez prześwitów jasnego metalu. Produkty korozji zwykle obejmują zielone sole chlorku niklu. Jeżeli grzejnik był używany dłużej niż 1-2 lata, a woda zawiera chlorki w stężeniu powyżej 100 ppm, należy podejrzewać korozję szczelinową po każdym demontażu grzejnika kołnierzowego z jakiegokolwiek powodu. W celu wymiany nowy grzejnik musi być umieszczony albo z otwartą szczeliną (prześwit większy lub równy 1,0 mm), albo z całkowicie uszczelniającą uszczelką uniemożliwiającą przedostawanie się elektrolitu.

Wniosek: niezawodna obsługa bez montażu szczelinowego

Korozja szczelinowa zainicjowana w grzałkach zanurzeniowych w obudowie ze stali nierdzewnej 316 w wodzie chlorkowej o stężeniu 200 ppm i temperaturze 80 stopni dla szerokości szczelin poniżej 0,5 mm w ciągu 12 miesięcy, a perforacja wystąpiła w ciągu 24 miesięcy. Jeśli odstępy będą większe niż 0,7 mm, urządzenie zagwarantuje 5+ lat bezproblemowej pracy. Wybierając grzejniki kołnierzowe, masz trzy możliwości: zaprojektować uchwyt tak, aby odstęp między osłoną a przylegającą powierzchnią metalową wynosił co najmniej 1,0 mm, zastosować całkowicie uszczelniającą uszczelkę, aby zapobiec przedostawaniu się wody do obszaru szczeliny, lub zmienić materiał osłony na bardziej odporny na szczeliny stop na styku. Podane tutaj podejście pozwala kupującym określić geometrię montażu, która pozwala uniknąć najczęstszej przyczyny przedwczesnych awarii grzałek zanurzeniowych z kołnierzem 316 pracujących w gorącej wodzie zawierającej chlorek, poprzez powiązanie szerokości szczeliny z wymiernymi ramami czasowymi do zainicjowania.