In quale specifica combinazione di concentrazione di ossigeno disciolto e pH dell'acqua di alimentazione la guaina del riscaldatore in acciaio inossidabile 316 è soggetta a flusso-corrosione accelerata (FAC) a 200 gradi nell'acqua di alimentazione- della caldaia ad alta velocità

Dissoluzione del film passivo in acqua ad elevata purezza e ad alta temperatura

The high velocity boiler feedwater systems operating at 200°C (typical for high-pressure boiler economisers or feedwater heaters) can be a problem for 316 stainless steel sheathed electric heating tubes due to flow-accelerated corrosion (FAC), which is thought to be immune to this phenomenon (which occurs mainly in carbon and low-alloy steels). The FAC of 316 is different from the traditional FAC of magnetite (Fe3O4) layers on carbon steel where it is a direct dissolution of passive film by the combined impacts of high flow velocity, high temperature and unique water chemistry. The passive film on 316 dissolves at 200°C, when the dissolved oxygen is less than 5 ppb (deaerated) and the pH is greater than 9.5 or less than 6.5. Under such conditions wall thinning rates of 0.1-0.5 mm/year have been seen in high velocity zones (>5 m/s). Questo documento valuta le soglie di ossigeno disciolto e pH per l'avvio del FAC su 316 guaine a 200 gradi.

Meccanismo di solubilità ad alta temperatura dei film passivi

In acqua ad alta-temperatura (200 gradi) la pellicola passiva su 316 è un doppio strato di ossido di cromo (Cr₂O₃) e spinello di ferro-cromo (FeCr₂O₄). Questi ossidi sono molto sensibili al pH e all'ossigeno disciolto per la loro solubilità. Una volta disaerato (DO<5 ppb) the corrosion potential is in the active or passive-transition area where the passive film is less stable . At high pH (>9.5) l'ossido di cromo viene sciolto come cromite (CrO 2-) o cromato (CrO 4 2-). A pH basso (<6.0) the film dissolves into Cr3+ ions. High flow velocity (>3-5 m/s) rimuove costantemente le specie disciolte e ne previene la ripassivazione e mantiene un'elevata velocità di dissoluzione. L'energia di attivazione per il FAC del 316 è di circa 40-60kJ/mol, cioè la velocità di corrosione raddoppia ogni 15-25 gradi sopra i 150 gradi.

Soglie FAC quantificate di 316 a 200 gradi in acqua ad alta-velocità

Di seguito sono mostrati i tassi di corrosione e il comportamento di assottigliamento delle pareti dell'acciaio inossidabile 316 in un test a circuito controllato a 200 gradi con variazioni di ossigeno disciolto, pH e velocità del flusso.

Ossigeno disciolto (ppb) pH a 200 gradi Velocità di flusso (m/s) Solubilità dell'ossido dominante Tasso FAC (mm/anno) Tempo per perdita di parete di 0,5 mm (ore) Consigliato per servizio a 200 gradi<5 (deaerated) 6.5-7.5 Any Minimal <0.02 >25.000 Sì<5 7.5-8.5 <3 Minimal <0.02 >25.000 Sì<5 7.5-8.5 3-5 Slight 0.02-0.05 10,000-25,000 Acceptable <5 8.5-9.5 3-5 Cr(OH)3 solubility 0.05-0.15 3,500-10,000 Not recommended <5 9.5-10.5 >3 Dissoluzione della cromite 0.15-0.40 1,250-3,500 Inaccettabile<5 >10.5 Any Rapid chromite >0.40 <1,250 Unacceptable <5 5.5-6.5 >3 Cr3+ solubilità 0.10-0.30 1,700-5.000 Inaccettabile<5 <5.5 Any Rapid Cr3+ >0.30 <1,700 Unacceptable
5-20 (low) 8.5-9.5 >3 Solubilità ridotta 0.03-0.08 6,000-17,000 Marginale
20-100 (moderate) 8.5-9.5 >5 Film passivo stabilizzato<0.02 >25,000 Yes 20-100 9.5-10.5 >5 Some stabilization 0.02-0.05 10,000-25,000 Acceptable >100Qualsiasi Qualunque Completamente passivo<0.02 >25.000 Sì
Il FAC di 316 dipende molto dalla velocità del flusso.

La velocità del flusso è il fattore di scala che trasforma la solubilità del film passivo in un assottigliamento misurato della parete. La tabella seguente mostra la dipendenza dalla velocità a 200 gradi C, condizioni disaerate, pH 9,2 (zona marginale).

Velocità del flusso (m/s) Sollecitazione di taglio delle pareti (Pa, stimata) Tasso FAC @ DO<5 ppb, pH 9.2 (mm/yr)Time to 50% of Original 1.5 mm Wall Loss(hours) Recommended Maximum Velocity for 10-Year Life <1 <10 <0.01 >75,000 Safe 1-2 10-20 0.01-0.03 25,000-75,000 Safe 2-3 20-35 0.03-0.06 12,500-25,000 Acceptable 3-5 35-60 0.06-0.12 6,000-12,500 Marginal (monitor) 5-8 60-100 0.12-0.20 3,750-6,000Not recommended 8-12 100-150 0.20-0.35 2,000-3,750 Unacceptable >12 >150 >0.35 <2,000 Not acceptable
Specifiche di progettazione e chimica pratica dell'acqua dei riscaldatori dell'acqua di alimentazione a 200 gradi

I riscaldatori incassati 316 a 200 gradi nell'acqua di alimentazione della caldaia ad alta velocità sono protetti dalla corrosione accelerata dal flusso in base ai seguenti requisiti.

Tipo di acqua di alimentazione Ossigeno disciolto target (ppb) pH consigliato, 200 gradi Velocità di flusso massima alla guaina (m/s) Durata prevista del riscaldatore (anni)
Riduzione - di tutte le terapie volatili (AVT) 2-5 8.0-8.5 3.0 8-10
Tutti i-trattamenti volatili (AVT) - ossidanti 50-100 8.0-8.5 5.0 10-15
Oxygenated therapy (OT) 100-300 8.0-8.5 6.0 >15 
Trattamento con fosfato 5-20 8.5-9.0 3.0 5-8 (monitor)
Any treatment with pH >9.5 N/A >9.5 <2.0 5-10 (316 marginal)
Identificazione sul campo del FAC sulle guaine del riscaldatore 316

The FAC on a 316 heater will produce unique surface features that are different from conventional corrosion mechanisms in high temperature, high velocity feedwater. The surface is smooth, polished or "orange-peel" in appearance with no pitting or scale. The wall thinning is homogeneous at the high velocity zones (e.g. pipe entry, directly facing the flow). The thinning is often a steady drop of outside diameter throughout the heater length. Scanning electron microscopy (SEM) shows a smooth, featureless surface, with no attack at the grain boundaries. Water chemistry log will show pH >9,5 o<6.0 and dissolved oxygen <5-20 ppb for prolonged durations. For such failures the answer is to adjust water chemistry to keep pH in the 8.0-8.5 range, and dissolved oxygen >20-50 ppb (se compatibile con l'intero sistema) o per limitare la velocità del flusso posizionando il riscaldatore in un bypass o in un pozzo di calma. La sensibilità al FAC può essere eliminata passando al titanio o alla lega 825.

Sommario: Chimica dell'acqua di alimentazione e gestione della velocità per prevenire il FAC

La corrosione accelerata del flusso dei riscaldatori rivestiti in acciaio inossidabile 316 nell'acqua di alimentazione della caldaia a 200 gradi avviene in condizioni disaerate (DO<5-10 ppb) in combination with alkaline pH >9,5 o pH acido<6.0 and flow velocities >3-5 m/sec. Under these conditions, the passive film is dissolved as chromite or chromium ions, resulting in wall thinning rates of 0.1-0.5 mm/year. For high temperature feedwater service with 316 sheaths, engineers should stipulate pH of 8.0-9.0, dissolved oxygen >20 ppb (ideally 50-100 ppb) and a flow velocity below 3-4 m/s at the sheath surface. If high velocity (>5 m/s) cannot be avoided, oxidising water treatment (oxygenated treatment, OT) with DO >100 ppb stabilizzeranno il film passivo ed eviteranno il FAC. La metodologia qui fornita mette in relazione l'ossigeno disciolto, il pH e la velocità del flusso con tassi FAC misurabili a 200 gradi e consente all'acquirente di definire la chimica dell'acqua e i parametri idraulici che manterranno la pellicola passiva sulle guaine del riscaldatore 316 nel funzionamento ad alta velocità dell'acqua di alimentazione della caldaia.