Dlaczego elektryczne rury grzewcze ze stali nierdzewnej 316 ulegają przyspieszonej korozji szczelinowej pod wspornikami z PTFE w zbiornikach magazynujących gorącą wodę z umiarkowaną-chlorką?

Wsporniki elektrycznych rur grzewczych w zbiornikach ciepłej wody są często wykonane z politetrafluoroetylenu (PTFE) lub innych fluoropolimerów i służą do oddzielenia osłony ze stali nierdzewnej 316 od ścian zbiornika ze stali węglowej. Taka konstrukcja zapobiega korozji galwanicznej różnych metali, ale analiza uszkodzeń w terenie komercyjnych podgrzewaczy wody i systemów magazynowania ciepła pokazuje, że szczelina utworzona pomiędzy wspornikiem z PTFE a osłoną ze stali nierdzewnej 316 tworzy agresywne lokalne chemikalia sprzyjające korozji wżerowej i szczelinowej, często powodując awarię grzejnika w ciągu 6-18 miesięcy w wodzie zawierającej tylko 50-150 ppm chlorku. Sam materiał PTFE jest chemicznie obojętny, ale niechłonna, nieprzepuszczalna właściwość PTFE zapobiega przedostawaniu się tlenu i wody do szczelnej szczeliny, co prowadzi do powstawania komórek napowietrzających różnicowo. Po utworzeniu szczeliny woda uwięziona w szczelinie ulega reakcjom hydrolizy, które obniżają lokalne pH do wartości tak niskich jak 3,5-4,0. Jony chlorkowe przedostają się do szczeliny, aby zachować neutralność ładunku, osiągając stężenia do 10 razy większe niż stężenie wody w masie. W artykule tym oszacowano kinetykę korozji szczelinowej pod wspornikami z PTFE na osłonach ze stali nierdzewnej 316 i zaproponowano techniki inżynieryjne pozwalające uniknąć tego rodzaju awarii w instalacjach gorącej wody.

Elektrochemiczny mechanizm korozji szczelinowej pod-nieporowatymi nośnikami polimerowymi
Mechanizm korozji szczelinowej stali nierdzewnej 316 wymaga szczeliny geometrycznej zwykle mniejszej niż 0,1 mm, aby utworzyć strefę ograniczoną dyfuzją. Po dociśnięciu do osłony zawierającej gumowe lub silikonowe warstwy amortyzujące wsporniki nośne z PTFE mogą powodować powstawanie szczelin o wielkości 0,05–0,3 mm, w zależności od różnic w ściskaniu i rozszerzalności cieplnej. Kiedy do tej szczeliny przedostaje się duża ilość wody, zawartość tlenu w zamkniętej przestrzeni szybko się wyczerpuje w wyniku procesów redukcji katodowej na powierzchni metalu. W procesie katodowym tlen i elektrony są redukowane, tworząc jony wodorotlenkowe: O 2 + 2H 2 O + 4e- → 4OH - Jednakże, ponieważ PTFE jest odporny na dyfuzję tlenu, nie następuje uzupełnianie wody z dużej ilości wody. Niewielka objętość, która zostaje uwięziona, jest odpowietrzana i lokalny potencjał przemieszcza się do aktywnego obszaru korozji w przypadku stali nierdzewnej 316. Chlorek metalu w szczelinie ulega hydrolizie, w wyniku czego powstaje wolny kwas: FeCl 2 + 2H2O → Fe(OH) 2 + 2HCl Ta metoda autokatalityczna obniża pH do poziomu, który powoduje depasywację stali nierdzewnej 316, która wymaga zaledwie 50-100 ppm chlorku objętościowego do rozpoczęcia i utrzymania ataku.

Badania eksperymentalne z mikroelektrodami umieszczonymi w pęknięciach pomiędzy blokami PTFE i płytkami ze stali nierdzewnej 316 w wodzie chlorkowej o stężeniu 100 ppm i temperaturze 70 stopni wykazują następujący postęp:

Pierwsze 24 godziny: pH objętościowe 7,2, pH szczelinowe 6,5, chlorki szczelinowe 120 ppm.

72 godziny. Szczelinowe pH 5,2, chlorki 280 ppm. Potencjał obwodu otwartego zmienia się z +50 mV do -250 mV w porównaniu z Ag/AgCl.

168 godz. pH 3,8 chlorek 960 ppm (szczelina). Widoczne wżery zaczynają się na krawędzi szczeliny.

336 godzin: pH 3,2, stężenie chlorków w szczelinie 1100 ppm Szybkość penetracji jamy ponad 0,1 mm na tydzień w temperaturze 70 stopni.

W przypadku zbiorników ciepłej wody o temperaturze 60–80 stopni szybkość korozji wzrasta 2–3-krotnie na każde 10 stopni wzrostu ze względu na szybsze szybkości dyfuzji i bardziej agresywną kinetykę hydrolizy.

Krytyczna szerokość szczeliny i problemy z kompatybilnością materiałów
Nie wszystkie pęknięcia są równie szkodliwe. Najbardziej agresywna korozja szczelinowa zachodzi w pewnym zakresie geometrycznym, a granica między PTFE a stalą nierdzewną przypada dokładnie w strefie krytycznej. Wyniki badań kontrolowanych szczelin w stali nierdzewnej 316 w wodzie chlorkowej o stężeniu 150 ppm i temperaturze 75 stopni są następujące. Związek między szerokością szczeliny a maksymalną głębokością wgłębienia po 500 godzinach wynosi:

Szerokość szczeliny (mm) Stan dyfuzji tlenu Maksymalna głębokość wżeru (mm) Morfologia wżeru < 0,02 (zasadniczo kontakt metalu z metalem) Brak wnikania wody, brak korozji szczelinowej 0,00 Brak ataku 0,02 – 0,08 Poważny niedobór tlenu, ograniczony wnikanie wody 0,25 – 0,45 Głębokie, wąskie wżery
0,08 – 0,25 Umiarkowana wymiana wody, aktywny cykl autokatalityczny 0,40-0,70Duże podcięte otwory
0,25 – 0,50 Niższa intensywność, częściowy obieg wody 0,15 – 0,30A Liczba płytkich rowów 0,50 Swobodna cyrkulacja wody, możliwa dyfuzja tlenu < 0,05 Minimalny atak Ściskanie wsporników nośnych PTFE za pomocą metalowych pasków lub zacisków sprężynowych często powoduje powstawanie szczelin w zakresie 0,05-0,20 mm. Z tego powodu PTFE stanowi szczególną trudność w przypadku materiałów porowatych, takich jak guma lub kompozyty wzmocnione włóknem. Uszczelki gumowe i materiały EPDM (monomer etylenowo-propylenowo-dienowy) są w pewnym stopniu przepuszczalne dla tlenu, umożliwiając stopniowe przejście, które czasami może wytrzymać warunki pasywne. PTFE ma przepuszczalność tlenu około 0,5 × 10⁻¹3 cm³·cm/(cm²·s·Pa) i dlatego stanowi praktycznie doskonałą barierę dla tlenu, co oznacza, że ​​objętość szczeliny jest całkowicie odpowietrzona.

Dane terenowe dotyczące skrócenia żywotności komercyjnych podgrzewaczy wody
Analiza rozkładu przyczyn źródłowych 247 uszkodzonych elektrycznych rur grzewczych ze stali nierdzewnej 316 zawróconych z komercyjnych zbiorników ciepłej wody (pojemność 150–500 litrów, temperatura zadana 60–80 stopni, woda miejska zawierająca chlorki 40–200 ppm) wykazała: 43% awarii zainicjowano w szczelinach wspornika nośnego z PTFE, 31% w strefach-narażonych na ciepło spawu, 18% w uszczelkach sworzni końcowych oraz 8% od ogólnych wżerów na prostych odcinkach osłony. Mediana czasu do uszkodzenia w przypadku uszkodzeń związanych ze szczeliną PTFE-wyniosła 14 miesięcy w porównaniu z 31 miesiącami w przypadku uszkodzeń-spoinami i 46 miesięcy w przypadku ogólnych uszkodzeń wżerowych.

Krótsze okresy awarii zaobserwowano w przypadku grzałek wykorzystujących wsporniki PTFE w najcieplejszej strefie wody w pobliżu dna zbiornika. Najgorętsza woda rozwarstwia się w dolnej jednej trzeciej zbiorników magazynowych, osiągając temperaturę płaszcza o 5–15 stopni powyżej wartości zadanej zbiorczej ze względu na miejscowe efekty ogrzewania. Wsporniki PTFE w nagrzewnicach pracujących w temperaturze objętościowej 75 stopni i w strefie 80-85 stopni ulegały awarii średnio 8-11 miesięcy.

Ilościowe badanie danych dotyczących składu chemicznego wody z uszkodzonych instalacji grzewczych wskazuje na silny związek między stężeniem chlorków a czasem do wystąpienia-awarii szczeliny PTFE:

< 30 ppm chloride: No PTFE crevice failures recorded in 60 months.

30-80 ppm chlorku: mediana awarii 28 miesięcy (zakres 18-48 miesięcy).

80-150 ppm chlorku Średnia awaryjność 12 miesięcy Zakres 6-24 miesięcy.

150-300 ppm chloru Średnia awaryjność 4 miesiące Zakres 2-8 miesięcy

Praktyczną konsekwencją jest to, że wsporniki nośne z PTFE są najsłabszym ogniwem w zespole podgrzewacza w wielu miejskich źródłach wody (zwykle 20–100 ppm chlorku), mimo że zawartość chlorków w masie sugerowałaby, że stal nierdzewna 316 powinna wystarczyć na 5–10 lat.

Zmiany projektowe mające na celu wyeliminowanie problemu szczelin PTFE
Oprócz podstawowej konstrukcji zbiornika istnieje szereg praktyk technicznych, które można zastosować w celu zminimalizowania korozji szczelinowej pod wspornikami. Najskuteczniejsze metody zmieniają materiał zamka, geometrię instalacji lub jakość powierzchni osłony w miejscu styku.

Najpierw wymień zamki PTFE na materiały przepuszczające tlen lub całkowicie porowate. W podłożu z gumy piankowej EPDM otwarta jest droga dyfuzji tlenu przez matrycę polimerową, dzięki czemu dodatni potencjał na powierzchni metalu utrzymuje się nawet przy ściskaniu. Testy zamków z pianki PTFE i EPDM na osłonach 316 w wodzie chlorkowej o stężeniu 150 ppm w temperaturze 75 stopni wykazały, że w przypadku grzejników wyposażonych w EPDM-po 2000 godzin nie występują wżery szczelinowe, natomiast w przypadku grzejników wyposażonych w PTFE-w ciągu 500 godzin utworzyły się wżery o średnicy 0,4 mm.

Po drugie, przeprojektuj sztywne wsporniki z kanałami drenażowymi. Blok PTFE nie będzie ciągły, ale będzie miał trzy-pola stykowe (każda podkładka o szerokości 3–5 mm) z odstępami 5 mm pomiędzy nimi. Długość kontaktu z osłoną powinna wynosić 20-40 mm. Szczeliny umożliwiają masowy przepływ wody i tlenu do uwięzionych przestrzeni. Testy wykazały, że konstrukcja wspornika z trzema podkładkami minimalizuje głębokość korozji szczelinowej o 80% w porównaniu ze wspornikiem pełnym.

Po trzecie, należy zastosować natryskiwaną termicznie powłokę aluminiową na osłonie w miejscach styku zamka. Dzieje się tak dzięki powłoce aluminium o grubości 0,1–0,2 mm, która preferencyjnie koroduje i stanowi anodę protektorową chroniącą znajdującą się pod nią stal nierdzewną 316. Przyspieszone testy w 200 ppm chlorku w temperaturze 80 stopni wykazały, że punkty styku pokryte aluminium są nienaruszone i nie ma wżerów 316 po 3000 godzinach. Niepowlekane kontrole zawiodły w ciągu 500–800 godzin.

Po czwarte, jeśli masz zamki z PTFE, których nie można regulować, umieść między zamkiem a osłoną wysokotemperaturowy uszczelniacz wielosiarczkowy lub uszczelkę silikonową. Uszczelniacz całkowicie zatyka szczelinę, eliminując wnikanie wody i komorę napowietrzania różnicowego. Metoda ta wymaga jednak ostrożnego stosowania i okresowych kontroli, ponieważ z biegiem czasu szczeliwo ulegnie zniszczeniu i-odnowiona szczelina zostanie ponownie zabudowana.

Język specyfikacji wsporników grzejników, odpornych na korozję
Zamawiając elektryczne rury grzejne ze stali nierdzewnej 316 do systemów magazynowania ciepłej wody wykorzystujące PTFE lub inne polimerowe wsporniki nośne, inżynierowie powinni uwzględnić następujące wymagania w specyfikacji zamówienia. W przypadku stężenia chlorków w masie przekraczającego 50 ppm należy wymagać, aby materiał zamka był polimerem-przepuszczalnym dla tlenu (np. pianka EPDM) lub wspornik miał kanały drenażowe o szerokości co najmniej 2 mm, rozmieszczone w odstępach nieprzekraczających 10 mm, lub powierzchnia osłony we wszystkich punktach styku powinna być pokryta natryskową powłoką aluminiową lub cynkową o grubości co najmniej 0,1 mm. W przypadku zbiorników, w których oczekuje się, że zawartość chlorków będzie większa niż 150 ppm, zaleca się albo całkowite usunięcie nośników polimerowych poprzez zastosowanie osłon z integralnie przyspawanymi elementami dystansowymi (występy ze stali nierdzewnej 316 z głównej rury), albo wymianę materiału osłony na super-stop austenityczny 254 SMO lub tytan klasy 2. Badania terenowe systemów magazynowania ciepła z wykorzystaniem konstrukcji spawanych wsporników wykazały, że średnia żywotność podgrzewacza wynosi ponad 8 lat w wodzie zawierającej 200–300 ppm chlorku w porównaniu z 4–8 miesiącami w przypadku konstrukcji ze wspornikami z PTFE-w tym samym serwisie. Uznając, że problemem nie jest stal nierdzewna 316, ale pęknięcie spowodowane przez skądinąd nieszkodliwy wspornik z PTFE, inżynierowie mogą określić proste i tanie zmiany projektowe w celu usunięcia najczęstszego trybu awarii w komercyjnych systemach podgrzewaczy ciepłej wody.