Чому електричні нагрівальні труби з оболонкою з нержавіючої сталі 316 зазнають прискореної щілинної корозії під опорними кронштейнами з PTFE в резервуарах для зберігання гарячої води з помірним -хлоридом?

Опорні кронштейни для електричних нагрівальних трубок у резервуарах для зберігання гарячої води часто виготовляються з політетрафторетилену (PTFE) або інших фторполімерів, і вони використовуються для утримання оболонки з нержавіючої сталі 316 від стінок резервуара з вуглецевої сталі. Ця конструкція запобігає гальванічній корозії різнорідних металів, але аналіз несправностей комерційних водонагрівачів і систем зберігання тепла показує, що щілина, утворена між кронштейном з PTFE та оболонкою з нержавіючої сталі 316, створює агресивну місцеву хімію, що сприяє точковій і щілинній корозії, що часто призводить до виходу з ладу нагрівача протягом 6-18 місяців у воді, що містить лише 50-150 ppm хлориду. Сам матеріал PTFE є хімічно інертним, але невбираюча непроникна характеристика PTFE перешкоджає проникненню кисню та масової води в щільну тріщину, що призводить до диференціального утворення осередків аерації. Після утворення тріщини вода, що потрапила в щілину, проводить реакції гідролізу, які знижують місцевий рН до значень 3,5-4,0. Іони хлориду переміщуються в щілину, щоб зберегти нейтральність заряду, досягаючи концентрацій, що в 10 разів перевищують концентрацію води в масі. У цій статті оцінюється кінетика щілинної корозії під опорами з ПТФЕ на оболонках з нержавіючої сталі 316 і пропонуються інженерні методи для уникнення цього режиму відмови в системі гарячого водопостачання.

Електрохімічний механізм щілинної корозії під не-пористими полімерними опорами
Механізм щілинної корозії на нержавіючій сталі 316 вимагає геометричного зазору, який зазвичай менше 0,1 мм, щоб утворити зону обмеження дифузії. При затисканні до оболонки, що містить шари амортизації з гуми або силікону, опорні кронштейни з PTFE можуть утворювати зазори 0,05–0,3 мм, залежно від різниці в стисненні та тепловому розширенні. Коли маса води проникає в цю щілину, кисень в обмеженому об’ємі швидко виснажується процесами катодного відновлення на поверхні металу. У катодному процесі кисень і електрони відновлюються з утворенням гідроксид-іонів: O 2 + 2H 2 O + 4e- → 4OH - Однак, оскільки PTFE непроникний для дифузії кисню, поповнення з основної води не відбувається. Невеликий об'єм, який утримується, деаерується, і локальний потенціал переміщується в зону активної корозії для нержавіючої сталі 316. Хлорид металу в щілині піддається гідролізу з утворенням вільної кислоти: FeCl 2 + 2H 2 O → Fe(OH) 2 + 2HCl Цей автокаталітичний метод знижує рН до рівнів, які депасивують нержавіючу сталь 316, що вимагає лише 50-100 ppm масового хлориду для початку та підтримки атаки.

Експериментальні дослідження з мікроелектродами, розміщеними в тріщинах між блоками PTFE та пластинами з нержавіючої сталі 316 у 100 ppm хлоридної води при 70 градусах, показують прогрес наступним чином:

Перші 24 години: масовий pH 7,2, щілинний pH 6,5, щілинний хлорид 120 ppm.

72 години. Щілинний pH 5,2, хлорид 280 ppm. Потенціал розімкнутого ланцюга змінюється від +50 мВ до -250 мВ порівняно з Ag/AgCl.

168 годин pH 3,8 хлорид 960 ppm (щілина). Видимі ямки починаються на краю щілини.

336 годин: рН 3,2, концентрація хлориду в щілині 1100 ppm Швидкість проникнення ямки більше 0,1 мм на тиждень при 70 градусах.

Для резервуарів для зберігання гарячої води з температурою 60–80 градусів швидкість корозії збільшується в 2–3 рази на кожні 10 градусів через більш швидкі темпи дифузії та більш агресивну кінетику гідролізу.

Критична ширина зазору та проблеми з сумісністю матеріалів
Не всі тріщини однаково шкідливі. Найагресивніша щілинна корозія відбувається в певному геометричному діапазоні, а межа PTFE–нержавіюча сталь потрапляє саме в критичну зону. Результати контрольованих досліджень розривів у нержавіючій сталі 316 у 150 ppm хлоридної води при 75 градусах такі. Зв’язок між шириною щілини та максимальною глибиною ями після 500 годин:

Ширина щілини (мм) Ступінь дифузії кисню Максимальна глибина ямки (мм) Морфологія ямки < 0,02 (в основному контакт металу з металом) Відсутність проникнення води, відсутність щілинної корозії 0,00 Відсутність впливу 0,02 – 0,08 Сильна нестача кисню, обмежене проникнення води 0,25 – 0,45 Глибокі вузькі ямки
0,08 – 0,25 Помірний водообмін, активний автокаталітичний цикл 0,40-0,70 Великі підрізані отвори
0,25 – 0,50 Нижча жорсткість, часткова циркуляція води 0,15 – 0,30 Кількість неглибоких траншей 0,50 Вільна циркуляція води, можлива дифузія кисню < 0,05 Мінімальний вплив Стиснення опорних кронштейнів з ПТФЕ металевими стрічками або пружинними затискачами часто створює зазори в діапазоні 0,05-0,20 мм. Ось чому PTFE є особливою складністю проти пористих матеріалів, таких як гума або армовані волокном композити. Гумові прокладки та матеріали EPDM (етилен-пропілен-дієн-мономер) є певною мірою проникними для кисню, що дозволяє поступове проходження, яке іноді може підтримувати пасивні умови. PTFE має киснепроникність приблизно 0,5 × 10⁻¹³ см³·см/(см²·с·Па) і тому є практично ідеальним кисневим бар’єром, що означає, що об’єм щілини повністю деаерований.

Польові дані про скорочення терміну служби промислових водонагрівачів
Аналіз розподілу першопричин 247 несправних 316 електричних нагрівальних трубок з нержавіючої сталі, повернених із комерційних резервуарів для зберігання гарячої води (об’єм 150–500 літрів, задана температура 60–80 градусів, муніципальна вода з вмістом хлориду 40–200 частин на мільйон), виявив: 43% несправностей виникли в тріщинах опорних кронштейнів із PTFE, 31% у зонах-термічного впливу зварювання, 18% на ущільненнях клемних штифтів і 8% від загальної виїмки на прямих ділянках оболонки. Середній час до виходу з ладу для відмов, пов’язаних із щілинами PTFE,-становив 14 місяців проти 31 місяця для відмов,-пов’язаних із зварюванням, і 46 місяців для загальних точкових відмов.

Коротші періоди відмови спостерігалися для нагрівачів, які використовують кронштейни з PTFE в зоні найтеплішої води біля дна резервуара. Найгарячіша вода розшаровується в нижній третині накопичувальних резервуарів, досягаючи температури оболонки на 5–15 градусів вище заданої точки об’єму через локальні ефекти нагрівання. Кронштейни з ПТФЕ в обігрівачах, що працювали при об’ємній температурі 75 градусів, а в зоні 80-85 градусів виходили з ладу в середньому за 8-11 місяців.

Кількісне дослідження даних хімії води з несправних нагрівачів вказує на високий зв’язок між концентрацією хлориду та часом до виходу з ладу щілини PTFE:

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

30-80 ppm хлориду: середня невдача 28 місяців (діапазон 18-48 місяців).

80-150 ppm хлориду Медіана відмови 12 місяців Діапазон 6-24 місяців.

150-300 частин на мільйон хлору Середня несправність 4 місяці Діапазон 2-8 місяців

Практичний висновок полягає в тому, що опорні кронштейни з PTFE є найслабшою ланкою в зборі нагрівача в багатьох муніципальних джерелах води (зазвичай 20-100 частин на мільйон хлориду), навіть якщо об’ємний рівень хлориду припускає, що нержавіючої сталі 316 має вистачити на 5-10 років.

Зміни в конструкції для усунення проблеми щілин PTFE
На додаток до базової конструкції резервуара існує ряд технічних методів, які можна застосувати для мінімізації щілинної корозії під опорними кронштейнами. Найбільш ефективні методи змінюють матеріал кронштейна, геометрію установки або якість поверхні оболонки в точці контакту.

Спочатку замініть кронштейни з PTFE на киснепроникні або повністю пористі матеріали. У опорі з спіненого каучуку EPDM відкритий шлях для дифузії кисню через полімерну матрицю, так що позитивний потенціал підтримується на металевій поверхні навіть під час стиснення. Випробування кронштейнів з PTFE та EPDM на 316 оболонках у 150 ppm хлоридної води при 75 градусах показали, що нагрівачі, обладнані EPDM-, не виявляють щілин після 2000 годин, але нагрівачі, оснащені PTFE-, утворили ямки 0,4 мм протягом 500 годин.

По-друге, переробити жорсткі кронштейни з дренажними каналами. Блок PTFE не буде безперервним, але матиме три-контактні майданчики (кожна площадка 3-5 мм завширшки) з інтервалом 5 мм між ними. Довжина контакту з оболонкою повинна бути 20-40 мм. Щілини дозволяють об’ємному потоку води та кисню до захоплених просторів. Тестування демонструє, що конструкція кронштейна з трьома колодками мінімізує глибину щілинної корозії на 80% порівняно з міцним контактним кронштейном.

По-третє, вкажіть алюмінієве покриття з термічним напиленням на оболонці в місцях контакту кронштейна. Це пов’язано з алюмінієвим покриттям товщиною 0,1–0,2 мм, яке переважно піддається корозії та служить тимчасовим анодом для захисту основної нержавіючої сталі 316. Прискорене тестування в 200 ppm хлориду при 80 градусах показує, що точки контакту з алюмінієвим покриттям залишаються цілісними без 316 пітингів через 3000 годин. Контролі без покриття вийшли з ладу протягом 500-800 годин.

По-четверте, якщо у вас є скоби з ПТФЕ, які не можна відрегулювати, помістіть високотемпературний полісульфідний герметик або силіконову прокладку між скобою та оболонкою. Герметик повністю закупорює фісуру, усуваючи проникнення води та диференціальну комірку аерації. Але цей метод вимагає обережного застосування та періодичної перевірки, оскільки герметик з часом псується та -відновлює щілину.

Мова специфікації для опор нагрівачів, стійких до корозії
При закупівлі електричних нагрівальних труб з нержавіючої сталі 316 для систем зберігання гарячої води з використанням PTFE або інших полімерних опорних кронштейнів інженери повинні включити наступні вимоги до специфікації закупівлі. Для об’ємної концентрації хлориду, що перевищує 50 частин на мільйон, вимагайте, щоб або матеріал кронштейна був -проникним для кисню полімером (наприклад, піна EPDM), або кронштейн мав дренажні канали шириною мінімум 2 мм, розташовані з інтервалами, що не перевищують 10 мм, або поверхня оболонки в усіх точках контакту мала мати напилене алюмінієве або цинкове покриття товщиною мінімум 0,1 мм. Для резервуарів, у яких очікується, що рівень хлориду перевищує 150 частин на мільйон, рекомендуйте або повністю видалити полімерні опори за допомогою оболонок із інтегрально звареними опорами (виступи з нержавіючої сталі 316 від основної труби) або оновити матеріал оболонки до супер-аустенітного сплаву 254 SMO або титану 2. Польові дослідження систем зберігання тепла з використанням конструкції зварної опори дають середнє значення Термін служби нагрівача понад 8 років у воді, що містить 200–300 ppm хлориду, у порівнянні з 4–8 місяцями для конструкцій із дужками з PTFE- у тій самій експлуатації. Визнаючи, що проблема полягає не в нержавіючій сталі 316, а в тріщині, спричиненій нешкідливим кронштейном з ПТФЕ, інженери можуть вказати прості та недорогі коригування конструкції, щоб усунути найпоширеніші види несправностей у комерційних системах гарячого водонагрівання.