Sota quina combinació específica de nivell d'oxigen dissolt i velocitat de flux fa la transició de la funda de l'escalfador d'acer inoxidable 316 de la corrosió passiva a l'erosió-en aigua d'alta-temperatura

Eliminació mecànica de la pel·lícula passiva com a mecanisme de fallada

Erosió-corrosió de tubs de calefacció elèctrica revestits d'acer inoxidable 316 i submergits en aigua a alta temperatura (80-100 graus) que conté sòlids en suspensió o que funcionen a velocitats de flux elevades. La pel·lícula passiva està intacta o s'elimina mecànicament per corrosió per corrosió-depenent de la combinació del nivell d'oxigen dissolt i la velocitat del fluid. La capa passiva es torna a formar-tan ràpid com s'elimina i les taxes de corrosió són inferiors a 0,05 mm per any per sota dels llindars crítics. Per sobre de la taxa crítica, la taxa d'eliminació mecànica supera la taxa de repassivació i la pèrdua de metall s'accelera d'1 a 5 mm / any, suficient per perforar una paret d'1,5 mm de gruix en 3 a 18 mesos. Aquest article estima els llindars de velocitat-d'oxigen dissolt per a l'inici de l'erosió-corrosió en 316 beines i presenta consells de disseny de dinàmica de fluids per a un servei fiable.

Mecanisme d'acoblament electroquímic-mecànic

La corrosió per erosió de l'acer inoxidable 316 a l'aigua requereix tres coses: un fluid que flueixi sobre la superfície metàl·lica per produir esforç de cisalla, suficient oxigen dissolt per mantenir l'activitat catòdica i partícules abrasives en suspensió o bombolles d'alta velocitat que poden alterar mecànicament la pel·lícula passiva. En aigua neta, amb alta velocitat i sense partícules, la pel·lícula passiva es pot mantenir intacta ja que la força de cisalla sola (fins a 10-20 Pa) no supera la força d'adhesió de la pel·lícula. Tanmateix, al voltant de 2 ppm d'oxigen dissolt, la taxa de repassivació baixa i fins i tot una tensió de cisalla lleu pot impedir la formació de pel·lícula estable. D'altra banda, amb alts continguts d'oxigen dissolt (més de 5 ppm) la repassivació és ràpida i la pel·lícula pot resistir velocitats més grans. Les pitjors condicions es troben a nivells intermedis d'oxigen (0,5-2 ppm) on la repassivació és gradual però hi ha prou corrent catòdic per promoure la dissolució anòdica en qualsevol lloc de metall nu.

Erosió quantificada-Llindars de corrosió 316 a 90ºC

Les proves de bucle de flux i d'elèctrodes de cilindre giratori amb 316 mostres d'acer inoxidable en aigua a 90 graus (pH 7,5, 100 ppm de clorur) han determinat sistemàticament la velocitat del flux i les combinacions d'oxigen dissolt que donen lloc a taxes de corrosió d'erosió que superen els 0,1 mm per any.

Oxigen dissolt (ppm) Velocitat de flux (m/s) Sòlids en suspensió (ppm, 50 µm de sílice) Erosió-Taxa de corrosió (mm/any) |Temps fins a la perforació (paret d'1,5 mm) Mecanisme recomanat<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 anys Erosió-corrosióNo aconsellable
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 anys Erosió-CorrosiuNo es recomana a llarg termini
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 anys Control mixt No recomanat
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 anys Erosió corrosió Inacceptable<0.5 Any 0 >0.50 <3 years Active corrosion (deaerated) Unacceptable >5 2-3 100 0.15-0.30 5-10 anys Erosió de partícules Acceptable a baixa velocitat5 3-5 100 0.30-0.70 2-5 anys Erosió extrema No recomanada5 5-8 100 0.70-2.00 1-2 anys Inacceptable No
Impacte de bombolles i efectes de sòlids en suspensió

Els sòlids en suspensió redueixen substancialment el llindar de velocitat d'erosió{0}}corrosió. A velocitats de flux tan baixes com 2-3 m/s, l'aigua amb 100 ppm de partícules dures i angulars (per exemple, sorra o sílice) pot erosionar la pel·lícula passiva a 316, donant lloc a taxes de pèrdua de metall 3-5 vegades més grans que les que tenen aigua neta a la mateixa velocitat. La situació més perjudicial per a les beines de l'escalfador no és el flux uniforme, sinó l'impacte localitzat en corbes, colzes o aigües amunt dels termopous on el flux s'accelera i les partícules impacten a la superfície. Les bombolles de gas (de cavitació o intermitent) també causen danys per erosió. Si l'aplicació té partícules en suspensió conegudes, la velocitat de flux màxima recomanada per a 316 beines cau a 1,5-2,0 m/s, independentment del nivell d'oxigen dissolt.

Recomanacions pràctiques de disseny per al servei d'alt cabal

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 m/s) i poc oxigen dissolt (< 2 ppm) are unavoidable in the system, then duplex 2205 stainless steel or Alloy 625 should be considered for upgrade.

Reconeixement de camp de danys per corrosió-erosió

Les característiques superficials característiques de l'erosió-corrosió dels escalfadors en servei d'alt-flux són diferents de les de la corrosió per picats o esquerdes. La zona danyada acostuma a ser llisa, polida o d'aspecte d'aigua-tallada, sovint amb solcs dirigits paral·lels a la direcció del flux (foses en forma de ferradura o de cometa). La pèrdua de metall s'estén per la regió danyada, en lloc d'un forat concentrat. I a gran augment, la superfície presenta deformació plàstica i taca de metall, ni les facetes cristal·logràfiques de SCC ni les fosses circulars de clorur. S'ha de sospitar corrosió per erosió-si l'escalfador ha estat en servei durant més d'1-2 anys en aigua amb una velocitat superior a 3 m/s i oxigen dissolt inferior a 2 ppm. Per substituir-lo, la velocitat del flux a la posició de l'escalfador s'ha de mesurar i disminuir perquè estigui dins de la zona segura de la taula anterior.

Conclusió: control de flux i oxigen per a la fiabilitat de la funda 316

L'erosió-corrosió dels escalfadors d'acer inoxidable 316 en un servei d'aigua a alta temperatura comença quan la velocitat del flux i el nivell d'oxigen dissolt no són suficients per permetre la creació d'una capa passiva estable. En aigua neta amb oxigen dissolt superior a 5 ppm, es permeten velocitats de flux de fins a 5 m/s. La velocitat màxima a l'oxigen dissolt 2-5 ppm baixa a 3-4 m/s. La pèrdua de metall es produeix a velocitats accelerades a velocitats superiors a 1 m/s a l'oxigen dissolt per sota de 2 ppm. Les partícules en suspensió redueixen les velocitats permeses en un factor de 2 a 3. 316 Per a la velocitat del flux, les lectures d'oxigen dissolt i en comparació amb els llindars que es mostren a la taula anterior, s'han de mesurar o calcular localment les beines designades per als sistemes de circulació de bombeig a la superfície de calefacció. L'enfocament proposat aquí permet als compradors dissenyar condicions de flux que sostenen el recobriment passiu i eviten l'aprimament prematur de la paret, relacionant l'oxigen dissolt, la velocitat i la càrrega de partícules amb les taxes quantitatives d'erosió i corrosió.