За якої конкретної комбінації рівня розчиненого кисню та швидкості потоку оболонка нагрівача з нержавіючої сталі 316 переходить від пасивної до ерозійної-корозії у воді з високою{2}}температурою

Механічне видалення пасивної плівки як механізм відмови

Ерозія-корозія електричних нагрівальних трубок, покритих нержавіючої сталлю 316 і занурених у воду з високою температурою (80-100 градусів), що містить зважені тверді речовини, або працює з високою швидкістю потоку. Пасивна плівка залишається цілою або механічно видаленою ерозією-корозією залежно від поєднання рівня розчиненого кисню та швидкості рідини. Пасивний шар ре-реформується так само швидко, як його видаляють, і швидкість корозії становить менше 0,05 мм на рік за критичних порогів. Понад критичною швидкістю швидкість механічного видалення перевищує швидкість репасивації, а втрата металу прискорюється до 1–5 мм/рік, чого достатньо для перфорації стінки товщиною 1,5 мм за 3–18 місяців. У цьому документі оцінюються порогові значення швидкості-розчиненого кисню для ініціювання ерозії та корозії на 316 оболонках і представлені рекомендації щодо проектування динаміки рідини для надійного обслуговування.

Механізм електрохімічного-механічного з’єднання

Ерозійна корозія нержавіючої сталі 316 у воді потребує трьох речей: рідини, що тече по металевій поверхні, щоб створити напругу зсуву, достатньо розчиненого кисню для підтримки катодної активності та або зважених абразивних частинок, або високо-швидкісних бульбашок, які можуть механічно порушити пасивну плівку. У чистій воді, з високою швидкістю і без частинок, пасивна плівка може залишатися недоторканою, оскільки сама сила зсуву (до 10-20 Па) не перевищує міцність адгезії плівки. Однак при приблизно 2 ppm розчиненого кисню швидкість репасивації падає, і навіть невелика напруга зсуву може перешкодити утворенню стабільної плівки. З іншого боку, при високому вмісті розчиненого кисню (понад 5 ppm) репасивація відбувається швидко, і плівка може протистояти більшим швидкостям. Найгірші умови - це проміжні рівні кисню (0,5-2 частки на мільйон), де репасивація відбувається поступово, але є достатній катодний струм, щоб сприяти анодному розчиненню на будь-якій ділянці оголеного металу.

Кількісно визначені ерозійні-порогові значення 316 при 90C

Випробування з контуром потоку та обертовим циліндричним електродом із 316 зразками з нержавіючої сталі у 90-градусній воді (pH 7,5, 100 частин на мільйон хлориду) систематично визначали швидкість потоку та комбінації розчиненого кисню, що призводить до швидкості ерозії-корозії, що перевищує 0,1 мм на рік.

Розчинений кисень (ppm) Швидкість потоку (м/с) Завислі тверді речовини (ppm, 50 мкм кремнезему) Ерозія-Швидкість корозії (мм/рік) |Час до перфорації (стінка 1,5 мм) Рекомендований механізм<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 р. Ерозія-корозіяНе рекомендовано
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 р. Ерозія-КорозіяНе рекомендується протягом тривалого часу
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 р. Змішаний контроль Не рекомендується
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 років. Ерозія, корозія неприйнятна<0.5 Any 0 >0.50 <3 years Active corrosion (deaerated) Unacceptable >5 2-3 100 0.15-0.30 5-10 років Часткова ерозія Припустимо за низької швидкості5 3-5 100 0.30-0.70 2-5 років Екстремальна ерозія Не рекомендується5 5-8 100 0.70-2.00 1-2 років Неприпустимо Ні
Зіткнення з бульбашками та вплив зважених твердих речовин

Зважені тверді речовини суттєво знижують поріг швидкості-корозії. За низьких швидкостей потоку 2-3 м/с вода з 100 ppm твердих, кутастих частинок (наприклад, піску або кремнезему) може руйнувати пасивну плівку на 316, що призведе до втрати металу в 3-5 разів вище, ніж у чистій воді при тій самій швидкості. Найбільш шкідливою ситуацією для оболонок нагрівачів є не рівномірний потік, а локальне зіткнення на вигинах, колінах або перед термокарманами, де потік прискорюється і частинки вдаряються об поверхню. Бульбашки газу (внаслідок кавітації або спалаху) так само спричиняють пошкодження ерозією. Якщо в застосуванні відомі зважені частинки, максимальна рекомендована швидкість потоку для оболонок 316 падає до 1,5-2,0 м/с незалежно від рівня розчиненого кисню.

Практичні рекомендації щодо дизайну для обслуговування високого потоку

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 м/с) і низький вміст розчиненого кисню (< 2 ppm) are unavoidable in the system, then duplex 2205 stainless steel or Alloy 625 should be considered for upgrade.

Польове розпізнавання ерозійно-корозійних пошкоджень

Поверхневі характеристики, характерні для ерозійної-корозії нагрівачів у {-експлуатації високого потоку, відрізняються від характеристик точкової або щілинної корозії. Пошкоджена ділянка, як правило, гладка, полірована або виглядає як «водяна-порізана», часто зі спрямованими борозенками, паралельними напрямку потоку (ямки у формі підкови або комети-). Втрата металу розподіляється по пошкодженій ділянці, а не по одній зосередженій дірці. А при великому збільшенні поверхня демонструє пластичну деформацію та розмазування металу, ні кристалографічні грані SCC, ні круглі ямки хлоридного пітингу. Слід запідозрити ерозію-корозію, якщо нагрівач працював більше 1-2 років у воді зі швидкістю понад 3 м/с і вмістом розчиненого кисню менше 2 ppm. Для заміни необхідно виміряти швидкість потоку в місці нагрівача та зменшити її до безпечної зони, наведеної у таблиці вище.

Висновок: контроль потоку та кисню для надійності оболонки 316

Ерозійна-корозія нагрівачів із корпусом із нержавіючої сталі 316 у системі високотемпературної води починається, коли швидкість потоку та рівень розчиненого кисню недостатні для створення стабільного пасивного шару. У чистій воді з вмістом розчиненого кисню понад 5 ppm допускається швидкість потоку до 5 м/с. Максимальна швидкість при розчиненому кисні 2-5 ppm падає до 3-4 м/с. Втрата металу відбувається з прискореними темпами при швидкостях понад 1 м/с при вмісті розчиненого кисню нижче 2 ppm. Зважені частинки знижують дозволену швидкість на коефіцієнт від 2 до 3. 316 Для швидкості потоку, показників розчиненого кисню та порівняно з пороговими значеннями, наведеними в таблиці вище, оболонки, призначені для насосних циркуляційних систем, повинні вимірюватися локально або розраховуватися на поверхні нагріву. Запропонований тут підхід дозволяє покупцям розробляти умови потоку, які підтримують пасивне покриття та уникають передчасного потоншення стінки, шляхом зв’язку розчиненого кисню, швидкості та навантаження частинок із кількісними показниками ерозії та корозії.