Dlaczego odporność na korozję szczelinową płaszcza grzejnego ze stali nierdzewnej 316 zależy od grubości ścianek w-chlorkowych płynach procesowych?

Dla inżynierów zajmujących się procesami chemicznymi, którzy określają elektryczne grzałki zanurzeniowe do-roztworów zawierających chlorki, od rurociągów poboru wody morskiej po solanki stosowane w przetwórstwie spożywczym i studzienki chłodnicze, zastosowanie stali nierdzewnej 316 jako materiału osłony stanowi typową ochronę przed korozją wżerową i szczelinową. Gatunek zawiera 2-3% molibdenu, który ma udowodnioną odporność na atak chloru w porównaniu ze stalą nierdzewną 304. Istnieje również mniej powszechnie uznawana, ale praktycznie istotna zależność pomiędzy grubością ścianki osłony a czasem potrzebnym, aby korozja szczelinowa przeniknęła ściankę rury i aby płyn procesowy dostał się do rury. Cieńsze ściany nie zawsze są mniej odporne na początek korozji, ale po zainicjowaniu miejscowej korozji pozostały okres użytkowania jest wprost proporcjonalny do pozostałej grubości ściany. W artykule określono ilościowo interakcję grubości ścianki osłony 316, szybkości propagacji korozji szczelinowej i bezpiecznego okna roboczego w agresywnym środowisku chlorkowym, zapewniając racjonalną podstawę do określenia minimalnej grubości ścianki w oparciu o oczekiwany okres użytkowania, a nie ogólne zalecenia materiałowe.

Mechanizm korozji szczelinowej w osłonie ze stali nierdzewnej 316
Płaszcze grzejne ze stali nierdzewnej 316 podlegają korozji szczelinowej w przypadku nieciągłości geometrycznych, w których występują warunki stagnacji roztworu. Typowe lokalizacje szczelin obejmują połączenie pomiędzy osłoną a uszczelką kołnierza montażowego, obszar połączenia gwintowego, pod osadzającą się zgorzeliną lub foliami z osadów biologicznych oraz w miejscu styku grzejnika ze wspornikami. Mechanizm przebiega według sekwencji klasycznej. Dyfuzja tlenu z roztworu zbiorczego nie jest wystarczająco szybka, aby uzupełnić tlen w szczelinie, ponieważ jest on wyczerpywany w wyniku reakcji korozji. Wewnątrz szczeliny powierzchnia jest anodowa w porównaniu z powierzchnią zewnętrzną. Jony chlorkowe dyfundują do szczeliny, utrzymując neutralność ładunku, a hydroliza chlorku metalu powoduje utworzenie kwasu solnego i miejscowy spadek pH do wartości zaledwie 2–3. Proces autokatalityczny, który przyspiesza w miarę upływu czasu. Krytyczna temperatura szczeliny w 1% roztworze chlorku sodu dla stali nierdzewnej 316 jest o około 15–20 stopni niższa od krytycznej temperatury wżerów. W praktyce osłona 316 odporna na wżery w wodzie morskiej o temperaturze 50 stopni nadal będzie wykazywać korozję szczelinową w punktach mocowania, jeśli zostanie zaprojektowana z ciasnymi, stojącymi szczelinami. Szybkość rozprzestrzeniania się ustalonego miejsca korozji szczelinowej przez ścianę osłony jest rzędu 0,5 – 2,0 mm/rok w ciepłych roztworach chlorków, w zależności od stężenia chlorków, temperatury, pH i obecności środków utleniających. Stwierdzono, że szybkość propagacji jest praktycznie niezależna od początkowej grubości ścianki,-ale czas do perforacji zmienia się bezpośrednio w zależności od grubości.

Ilościowa zależność między grubością ścianki a czasem perforacji
Bezpieczny okres użytkowania osłony 316 przed perforacją dla danego zestawu warunków procesu i ustalonej szybkości propagacji szczeliny jest w przybliżeniu równy początkowej grubości ścianki podzielonej przez szybkość propagacji. Zależność ta zakłada, że ​​inicjacja już nastąpiła i jest ostrożnym założeniem projektowym dla agresywnej obsługi chlorków. Weź osłonę 316 o grubości ścianki 1,0 mm, w wodzie morskiej o temperaturze 60 stopni i określonej szybkości rozprzestrzeniania się korozji szczelinowej wynoszącej 0,8 mm/rok. Czas inicjacji szczeliny do perforacji wynosi około 1,25 roku. Dla porównania, ten sam grzejnik o grubości ścianki 2,0 mm przetrwa 2,5 roku przed perforacją, co oznacza dwukrotność bezpiecznego okresu użytkowania. Dla osłony o grubości 2,5 mm czas ten wzrasta do 3,1 roku. To liniowe powiązanie potwierdzają dane dotyczące awarii w terenie z przybrzeżnych zakładów chemicznych. Przegląd 316 osłoniętych grzałek zanurzeniowych w systemach chłodzenia wodą słonawą w temperaturze 50-70°C wykazał, że pierwsze uszkodzenia związane z perforacją wystąpiły w urządzeniach o grubości ścianki 1,2 mm po średnio 14 miesiącach pracy. Jednostki tego samego producenta, o takim samym składzie chemicznym wody, ale o grubości ścianki 1,8 mm, miały średnio 26 miesięcy do pierwszej awarii. Jednostki o grubości ścianki 2,5 mm, które zwykle są wymagane w przypadku wyższych ciśnień, średnio 38 miesięcy. Co ważne, wszystkie awarie wystąpiły w miejscach szczelin-połączenia kołnierza i styku wspornika, a nie na wolnej powierzchni rury. Liniowa zależność pomiędzy grubością a żywotnością została wyjątkowo zachowana, co pokazuje, że po zainicjowaniu korozji szczelinowej grubość ścianki bezpośrednio wpływa na czas, w którym grzejnik pozostaje szczelny.

Efekty termiczne grubszych ścian w środowisku korozyjnym
Korzyści korozyjne grubszych ścian należy zrównoważyć z utratą ciepła opisaną wcześniej w tej serii. Osłona 2,5 mm typu 316 ma około 60% większy opór cieplny niż osłona 1,2 mm o tej samej średnicy zewnętrznej. Aby zapewnić tę samą szybkość nagrzewania procesu, grzejnik z grubszą osłoną musi albo pracować przy wyższych temperaturach drutu wewnętrznego, albo być fizycznie dłuższy, aby zapewnić większą powierzchnię przy tej samej gęstości watów. Jedno i drugie jest konsekwentne. Podwyższona temperatura drutu powoduje utlenianie drutu oporowego i uszkodzenie izolacji z tlenku magnezu. Żywotność całego grzejnika może być ograniczona raczej ze względów elektrycznych niż ze względu na korozję. W pojemnikach, w których jest mało miejsca lub istnieją przejścia przez dyszę, wydłużenie grzejnika może nie być praktyczne. Praktyczną odpowiedzią jest zrozumienie, że w przypadku wysoce korozyjnych zastosowań chlorków żywotność wnikania korozji jest często ograniczeniem kontrolującym. W wielu przypadkach grubsza ściana nie wynika z konserwatyzmu, ale z wymogu minimalnego akceptowalnego okresu użytkowania wynoszącego od dwóch do pięciu lat między wymianami. Wadę w zakresie efektywności cieplnej uznaje się za cenę niezawodności.

Tabela wyboru grubości ścianki dla zastosowań chlorkowych w oparciu o wymagany okres użytkowania
Poniższa tabela przedstawia zalecaną minimalną grubość ścianki płaszcza 316 dla grzałek zanurzeniowych w cieczach przemysłowych-zawierających chlorki. Wartości opierają się na ciągłej pracy, dostępności miejsc szczelinowych (kołnierze, gwinty lub podpory) i założeniu, że co najmniej 2 lata-szczelności pracy będą szczelne, zanim ryzyko perforacji stanie się znaczne. Cieńsze ścianki mogą być dozwolone w przypadku zastosowań, w których nie ma szczelin (np. gładka, bezszwowa rura zwisająca z góry zbiornika bez punktów styku). Jednak w praktyce takie konstrukcje są rzadkością.

Stężenie chlorków i temperatura procesowa Zmierzona lub szacunkowa szybkość propagacji szczeliny Minimum 316 Grubość ścianki osłony dla 2-letniego okresu użytkowania Minimum 316 Grubość ścianki płaszcza dla 4-letniego okresu użytkowania Zalecana gęstość watów Obniżenie wartości znamionowych Woda morska (19 000 ppm Cl⁻), 30–40 stopni 0,4–0,6 mm/rok 1,2 mm 2,0 mm 10% normy
Woda morska (19 000 ppm Cl⁻), 50–70 stopni 0.8 - 1.2 mm/rok 2,0 mm 3,0 mm (rozważ Incoloy 825) 20% od normy
Woda słonawa (5000 ppm Cl⁻), 40–60 stopni 0,3–0,5 mm/rok 1,0 mm 1,6 mm Nie jest konieczne
Rozcieńczona solanka (1000 do 3000 ppm Cl⁻), 80-95 stopni 0.6 - 1.0 mm/rok 1,6 mm 2,5 mm 15% od normy
Woda z wieży chłodniczej (500 ppm Cl⁻, wysoka zawartość tlenu), 30–50 stopni 0,2–0,3 mm/rok 0,8 mm 1,2 mm Nie wymagane
Procedura chemiczna (10% roztwór NaCl), 90-100 stopni 1,5 – 2,0 mm/rok 3,0 mm (niezalecana zmiana stopu)316 25% obniżenie wartości znamionowych uznano, że ulepszanie stopu jest niewykonalne
W tabeli tej przyjęto założenie, że istnieją szczeliny, których projektowo nie można usunąć. Jeśli chodzi o trwałość użytkową przekraczającą cztery lata, stal nierdzewna 316 ma marginalne znaczenie, niezależnie od grubości ścianki, w ciepłych warunkach o wysokiej zawartości-chlorków. W pewnych okolicznościach przejście na wyższy stop, taki jak Incoloy 825 (42% niklu, 21% chromu, 3% molibdenu) lub tytan, zapewnia wewnętrznie lepszą odporność na korozję szczelinową, ale wiąże się to z większymi kosztami materiałów. Ponadto te alternatywne stopy często mają o rząd wielkości mniejszą szybkość propagacji, w związku z czym można zmniejszyć grubość ścianki.

Zmiany projektowe mające na celu zminimalizowanie ryzyka korozji szczelinowej bez zwiększania grubości ścianki
Inżynierowie powinni najpierw przyjrzeć się zmianom projektowym, które zmniejszają prawdopodobieństwo powstania szczeliny, zanim zaakceptują ryzyko termiczne grubszej ściany. Najlepszym rozwiązaniem jest całkowite pozbycie się szczelin. Grzejnik na gładkiej, niegwintowanej osłonie 316 z przyspawanym kołnierzem montażowym i bez uszczelnionego styku lub kontaktu z podporami może mieć znacznie dłuższą żywotność niż cieńsza ścianka ze szczelinami. Spoiny z pełną penetracją są szlifowane równo z powierzchnią, unikając nakładania się powierzchni metalowych. Stosowanie nie-chłonnych materiałów uszczelniających, takich jak ekspandowany PTFE, może zmniejszyć głębokość szczeliny. Innym sposobem jest zastosowanie ochrony katodowej. Przyłączenie anody protektorowej cynkowej lub aluminiowej do kołnierza montażowego grzejnika może przesunąć potencjał powłoki 316 do zakresu, w którym inicjacja korozji szczelinowej jest zmniejszona. Testy terenowe systemów chłodzenia słoną wodą wykazały, że osłony katodowe 316 o grubości 1,6 mm mają oczekiwaną żywotność równą osłonom o średnicy 2,5 mm bez zabezpieczenia. Trzeci sposób to okresowe czyszczenie chemiczne w celu wyeliminowania osadów biologicznych i kamienia tworzących szczeliny. Nawet coroczne spłukiwanie wodą lub stosowanie biocydów może znacznie zminimalizować okres powstawania szczelin na powierzchni osłony.

Wniosek: Specyfikacja grubości osłony jako narzędzie zarządzania trwałością korozyjną 316
Grubość ścianki ma-podwójne znaczenie, gdy inżynierowie wybierają elektryczne elementy grzejne owinięte stalą nierdzewną 316 do płynów procesowych zawierających chlorki. Zapewnia wytrzymałość mechaniczną i utrzymanie ciśnienia, jak wspomnieliśmy w poprzednich sekcjach. Działa jednak również jako naddatek korozyjny, rezerwa materiałowa na cały okres eksploatacji grzejnika pod względem-szczelności po rozpoczęciu korozji szczelinowej. Tempo propagacji ataku szczelinowego w ciepłych chlorkach jest bardzo przewidywalne i wynosi od 0,5 do 1,5 mm rocznie, w zależności od warunków. Dlatego minimalna grubość ścianki jest bezpośrednio określona przez pożądaną żywotność. Grzejnik, który ma wytrzymać dwa lata w wodzie morskiej o temperaturze 60 stopni, potrzebuje ścianki o grubości co najmniej 1,6-2,0 mm. Grzejnik może być całkiem zadowalający przy grubości 1,0 mm i wystarczyć na sześć miesięcy. Wybór techniczny nie polega na tym, czy 316 „nadaje się” do obsługi chlorku w absolutny sposób,- ale na dopasowywaniu grubości ścianki do wymaganego okresu wymiany. Przy określaniu grzejników do pracy w środowisku korozyjnym inżynierowie powinni poinformować dostawcę o przewidywanej zawartości chlorków, temperaturze roboczej i docelowym okresie użytkowania. Dostawca może zatem zalecić grubość ścianki, która równoważy trwałość korozyjną z wydajnością cieplną, unikając przedwczesnych uszkodzeń perforacyjnych i niepotrzebnych szkód termicznych w przypadku zbyt określonej grubości. Jeśli patrzysz na trwałość użytkową dłuższą niż cztery lata w ciepłych chlorkach, uczciwą radą techniczną jest zmiana stopu zamiast zwiększania grubości ścianki 316 powyżej 2,5 mm, ponieważ kary termiczne i kosztowe stają się zaporowe.