In quale combinazione specifica di livello di ossigeno disciolto e velocità di flusso avviene la transizione della guaina del riscaldatore in acciaio inossidabile 316 da passivo a erosione-corrosione in acqua ad alta-temperatura

Rimozione meccanica del film passivo come meccanismo di cedimento

Erosione-corrosione di tubi di riscaldamento elettrico rivestiti in acciaio inossidabile 316 e immersi in acqua ad alta temperatura (80-100 gradi) contenente solidi sospesi o gestiti a velocità di flusso elevate. Il film passivo viene intatto o rimosso meccanicamente mediante erosione-corrosione a seconda della combinazione del livello di ossigeno disciolto e della velocità del fluido. Lo strato passivo si riforma-con la stessa rapidità con cui viene rimosso e i tassi di corrosione sono inferiori a 0,05 mm all'anno sotto le soglie critiche. Al di sopra della velocità critica, la velocità di rimozione meccanica supera la velocità di ripassivazione e la perdita di metallo viene accelerata da 1 a 5 mm/anno, sufficiente per perforare una parete di 1,5 mm di spessore in 3-18 mesi. Questo documento stima le soglie di velocità dell'ossigeno disciolto-per l'inizio dell'erosione-corrosione sulle guaine 316 e presenta consigli di progettazione fluidodinamica per un servizio affidabile.

Meccanismo di accoppiamento elettrochimico-meccanico

La corrosione per erosione dell'acciaio inossidabile 316 in acqua richiede tre cose: un fluido che scorre sulla superficie metallica per produrre stress di taglio, abbastanza ossigeno disciolto per sostenere l'attività catodica e particelle abrasive sospese o bolle ad alta-velocità che possono disturbare meccanicamente la pellicola passiva. In acqua pulita, ad alta velocità e senza particelle, il film passivo può rimanere intatto poiché la sola forza di taglio (fino a 10-20 Pa) non supera la forza di adesione del film. Tuttavia, a circa 2 ppm di ossigeno disciolto, il tasso di ripassivazione diminuisce e anche un lieve sforzo di taglio può precludere la formazione di una pellicola stabile. D'altra parte, con elevati contenuti di ossigeno disciolto (oltre 5 ppm) la ripassivazione è rapida e il film può resistere a velocità maggiori. Le condizioni peggiori si verificano a livelli di ossigeno intermedi (0,5-2 ppm) dove la ripassivazione è graduale ma c'è abbastanza corrente catodica per promuovere la dissoluzione anodica in qualsiasi sito di metallo nudo.

Erosione quantificata-Soglie di corrosione 316 a 90°C

I test sul circuito di flusso e sugli elettrodi a cilindro rotante con campioni di acciaio inossidabile 316 in acqua a 90 gradi (pH 7,5, 100 ppm di cloruro) hanno determinato sistematicamente la velocità del flusso e le combinazioni di ossigeno disciolto che determinano tassi di erosione-corrosione superiori a 0,1 mm all'anno.

Ossigeno disciolto (ppm) Velocità di flusso (m/s) Solidi sospesi (ppm, 50 µm di silice) Erosione- Tasso di corrosione (mm/anno)|Tempo di perforazione (parete di 1,5 mm) Meccanismo consigliato<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 anni Erosione-corrosioneNon consigliabile
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 anni Erosione-CorrosivoNon consigliato a lungo termine
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 anniControllo misto Non consigliato
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 anni Erosione corrosione Inaccettabile<0.5 Any 0 >0.50 <3 years Active corrosion (deaerated) Unacceptable >5 2-3 100 0.15-0.30 5-10 anni Erosione particellare Accettabile a bassa velocità5 3-5 100 0.30-0.70 2-5 anni Erosione estrema Non consigliato5 5-8 100 0.70-2.00 1-2 anni Inaccettabile No
Effetti dell'impatto delle bolle e dei solidi sospesi

I solidi sospesi riducono sostanzialmente la soglia della velocità di erosione-corrosione. A velocità di flusso fino a 2-3 m/s, l'acqua con 100 ppm di particelle dure e spigolose (ad esempio sabbia o silice) può erodere la pellicola passiva su 316 con conseguenti tassi di perdita di metallo 3-5 volte maggiori rispetto a quelli con acqua pulita alla stessa velocità. La situazione più dannosa per le guaine del riscaldatore non è il flusso uniforme ma l'impatto localizzato in corrispondenza di curve, gomiti o a monte dei pozzetti termometrici dove il flusso accelera e le particelle colpiscono la superficie. Le bolle di gas (da cavitazione o flashing) causano similmente danni da erosione. Se l'applicazione presenta particelle sospese, la velocità di flusso massima consigliata per le guaine 316 scende a 1,5-2,0 m/sec indipendentemente dal livello di ossigeno disciolto.

Raccomandazioni pratiche di progettazione per servizi ad alto flusso

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) e basso ossigeno disciolto (< 2 ppm) are unavoidable in the system, then duplex 2205 stainless steel or Alloy 625 should be considered for upgrade.

Riconoscimento sul campo dei danni da erosione-corrosione

Le caratteristiche superficiali caratteristiche dell'erosione-corrosione dei riscaldatori in servizio ad alto-flusso sono diverse da quelle della vaiolatura o della corrosione interstiziale. L'area danneggiata è solitamente liscia, lucida o con aspetto 'tagliato dall'acqua-, spesso con solchi diretti parallelamente alla direzione del flusso (fosse a forma di ferro di cavallo o di cometa-). La perdita di metallo è distribuita sulla regione danneggiata, anziché su un foro concentrato. E ad alto ingrandimento, la superficie mostra deformazioni plastiche e imbrattamenti di metalli, né le sfaccettature cristallografiche dell'SCC né le cavità circolari della vaiolatura del cloruro. Si deve sospettare l'erosione-corrosione se il riscaldatore è stato in servizio per più di 1-2 anni in acqua con velocità superiore a 3 m/s e ossigeno disciolto inferiore a 2 ppm. Per effettuare la sostituzione, la velocità del flusso nella posizione del riscaldatore deve essere misurata e diminuita per rientrare nella zona sicura nella tabella sopra.

Conclusione: controllo del flusso e dell'ossigeno per l'affidabilità della guaina 316

L'erosione-la corrosione dei riscaldatori rivestiti in acciaio inossidabile 316 nel servizio idrico ad alta temperatura inizia quando la velocità del flusso e il livello di ossigeno disciolto non sono sufficienti a consentire la creazione di uno strato passivo stabile. In acqua pulita con ossigeno disciolto superiore a 5 ppm, sono consentite velocità di flusso fino a 5 m/s. La velocità massima con ossigeno disciolto 2-5 ppm scende a 3-4 m/sec. La perdita di metallo avviene a velocità accelerate a velocità superiori a 1 m/sec con ossigeno disciolto inferiore a 2 ppm. Le particelle sospese riducono le velocità consentite di un fattore da 2 a 3. 316 Per la velocità del flusso, le letture dell'ossigeno disciolto e rispetto alle soglie indicate nella tabella sopra, le guaine designate per i sistemi di circolazione con pompa devono essere misurate o calcolate localmente sulla superficie riscaldante. L’approccio qui proposto consente agli acquirenti di progettare condizioni di flusso che sostengano il rivestimento passivo ed evitino l’assottigliamento prematuro delle pareti, mettendo in relazione l’ossigeno disciolto, la velocità e il carico di particelle con i tassi quantitativi di erosione-corrosione.