Aká kritická šírka štrbiny medzi plášťom ohrievača z nehrdzavejúcej ocele 316 a jeho montážnou prírubou iniciuje zrýchlené pitting v 200 ppm chloridovej vody pri 80 stupňoch

Geometrický limit vyčerpania kyslíka a lokálneho okyslenia

Trhlina medzi plášťom a montážnym komponentom je najcitlivejším miestom na lokalizovanú koróziu ponorných ohrievačov 316 zapuzdrených z nehrdzavejúcej ocele namontovaných cez príruby alebo steny nádrže. Keď sa medzera štrbiny zmenší na kritickú šírku, vo všeobecnosti medzi 0,1 mm a 0,5 mm, v závislosti od koncentrácie chloridov a teploty, obmedzí sa vstup objemovej vody a zo štrbiny sa vyčerpá kyslík. Následne sa koncentrácia chloridov zvyšuje a pH klesá, čo vedie k zrýchlenej jamkovej a štrbinovej korózii. Puzdro 316 so štrbinovou medzerou menšou ako 0,3 mm v 200 ppm chloridovej vody začne štrbinovú koróziu za 6 až 12 mesiacov pri teplote 80 stupňov , ale identický plášť so štrbinovou medzerou väčšou ako 0,5 mm zostane pasívny počas 5+ rokov. Tento článok odhaduje potrebnú šírku štrbinovej medzery pre 316 puzdier za typických podmienok horúcej vody a poskytuje konštrukčné kritériá pre montáž bez štrbín.

Elektrochemický mechanizmus na iniciáciu štrbinovej korózie

Štrbinová korózia nehrdzavejúcej ocele 316 sa iniciuje, keď geometria štrbiny bráni konvekčnému a difúznemu prenosu kyslíka z objemového roztoku na kovový povrch vo vnútri trhliny. Kyslík sa spotrebováva katódovými procesmi (redukcia kyslíka) vo vnútri štrbiny a lokálna koncentrácia kyslíka klesá takmer na nulovú úroveň, zatiaľ čo sa objemový roztok prevzdušňuje. Tento potenciálny rozdiel vytvára galvanický článok. Vonkajšie okraje štrbiny (vysoko okysličené) sa stanú katódou a vnútro štrbiny (odkysličené) sa stane anódou. Chloridové ióny sú priťahované do štrbiny, aby neutralizovali náboj, čím sa dosiahnu koncentrácie 10-100-krát väčšie ako vo veľkom. Simultánna hydrolýza rozpustených kovových iónov (Fe 3+ , Cr 3+ ) vytvára vodíkové ióny a znižuje lokálne pH na 2-4. Študoval sa vplyv vysokého obsahu chloridu a nízkeho pH na rozpad pasívneho filmu na 316, aby sa iniciovalo rýchle anodické rozpúšťanie. Rozhodujúca šírka medzery je najväčšia šírka medzery, ktorú difúzia kyslíka nedokáže kompenzovať spotrebou kyslíka. Pri statickom nastavení alebo nastavení s nízkym prietokom je táto rozhodujúca medzera vo všeobecnosti medzi 0,3 a 0,5 mm. Medzery väčšie ako 0,5 mm umožňujú dostatočný priechod kyslíka na udržanie pasivity. Ak sú medzery široké menej ako 0,3 mm, v priebehu hodín až dní sa odkysličia a sú napadnuté štrbinovou koróziou aj vo vode s nízkym obsahom chloridov.

Prahové hodnoty pre štrbinovú koróziu 316 pri 80 stupňoch v 200 ppm Kvantifikovaný chlorid.

Systematické testovanie štrbinových formovačov s regulovanou šírkou štrbiny na plechoch z nehrdzavejúcej ocele 316 reprezentujúcich povrch plášťa ohrievača v prevzdušnenej 200 ppm chloridovej vode pri 80 stupňoch určilo rozhodujúcu štrbinovú štrbinu pre nástup štrbinovej korózie. Test trval 12 mesiacov, pričom jednotky boli pravidelne rozoberané a testované na útok. Výsledky ukazujú náhlu zmenu šírky medzery z 0,4 mm na 0,5 mm. Štrbinová korózia začala vo všetkých vzorkách pri alebo pod 0,4 mm v priebehu 6 mesiacov. Medzery 0,5 mm alebo väčšie boli bez ataku počas celých 12 mesiacov. Extrapoláciou na predĺženú prevádzku môžu medzery 0,5 – 0,8 mm začať napádať po 3 – 5 rokoch v prítomnosti nepriaznivého chemického zloženia vody alebo tepelných cyklov, ktoré spôsobujú koncentračné účinky. Podrobné načasovanie začiatku štrbinovej korózie pre 316 plášťov je uvedené v tabuľke nižšie ako funkcia šírky medzery, koncentrácie chloridov a teploty.

Šírka štrbinovej medzery (mm) Koncentrácia chloridu (ppm) Teplota (stupeň) Čas do iniciácie štrbinovej korózie Čas do perforácie (1,5 mm stena po iniciácii) Odporúčané pre 5-ročnú prevádzku<0.1 (tight contact) 200 80 <1 month 3-6 months No 0.1-0.2 200 80 1-3 months 3-6 monthsNo 0.2-0.3 200 80 3-6 months 6-12 months No
0.3-0.4 200 80 6-9 mesiacov 9-18 mesiacov Nie 0.4-0.5 200 80 9-12 mesiacov 12-24 mesiacov Hraničné
0.5-0.7 200 80 >24 mesiacov (nemusí začať) -Áno (s vyšetrením)
0.7-1.0 200 80 >60 mesiacov - Áno1,0 (otvorená medzera) 200 80 Bez štrbinovej korózie - Áno
0.5-0.7 500 80 6-12 months 12-18 months No 0.5-0.7 200 60 >60 mesiacov Áno
0.3-0.5 200 60 12-24 mesiacov 24 – 36 mesiacov Prijateľné s monitorovaním geometrických štrbín v montážnych zostavách ohrievača

V prípade prírubových vykurovacích telies tri časté konštrukčné prvky spôsobujú vznik trhlín so šírkou medzier, ktoré sú často pod kritickým prahom. Prvým sú kompresné fitingy alebo tesniace príruby, kde plášť prechádza cez elastomérne alebo PTFE tesnenie, ktoré je stlačené proti kovu. Kontaktný tlak môže znížiť medzeru takmer na nulu v miestach kontaktu, zatiaľ čo oblasti vedľa kontaktných bodov môžu mať medzery 0,1-0,2 mm. Druhým druhom sú privarené alebo závitové puzdrá, v ktorých je plášť vložený do prírubového bloku s vôľou otvoru 0,2-0,3 mm. Táto vzdialenosť je v rozsahu kritických štrbín, ktoré sú však potrebné na montáž. Tretím je vodný kameň alebo úlomky, ktoré sa hromadia medzi plášťom a tesne priliehajúcou rúrkovnicou, čím sa zmenšuje väčšia medzera v sieti podkritických trhlín. Nové konštrukcie ohrievačov stanovujú minimálnu medzeru 1,0 mm (pri použití puzdra s vôľou 1,0-1,5 mm), aby sa znížila možnosť štrbinovej korózie. Existujúce konštrukcie využívajúce plné príruby musia byť nahradené otvorenými podpornými konzolami alebo svorkami, kde sa plášť spája na diskrétnych miestach (troj- alebo štvorbodové kontakty s otvorenými medzerami inde), čo narúša geometriu súvislej štrbiny.

Stratégie na zmiernenie nevyhnutných kritických medzier

Ak si konštrukčné parametre vyžadujú medzery medzi štrbinami menšie ako 0,5 mm, ako napríklad pri vysokotlakových prírubových tesneniach, kde sa vyžadujú prísne tolerancie, použijú sa tri zmierňujúce opatrenia, aby sa zabránilo korózii štrbín. Prvým a najúspešnejším je použitie polymérových alebo elastomérnych tesnení, ktoré úplne zabraňujú prenikaniu vody do trhliny. Do štrbiny sa nedostane žiadny elektrolyt, a preto sa koncentrácii chloridov a vyčerpaniu kyslíka zabráni vodotesným uzáverom, ktorý zabezpečuje stlačené tesnenie z PTFE alebo EPDM. Táto metóda vyžaduje, aby bol materiál tesnenia kompatibilný s teplotou tekutiny (EPDM do 120 stupňov, PTFE do 250 stupňov). Druhým prístupom je vybrať zliatinu odolnejšiu voči štrbinám{7}} len pre plášť na mieste montáže, pričom sa použije zváraný prechodový kus zo zliatiny 625 alebo titánu. Tieto materiály majú kritické štrbinové medzery menšie ako 0,1 mm, takže ani tesné medzery nemôžu začať útok. Treťou možnosťou je katódová ochrana. Ak je plášť ohrievača spojený s obetovanou zinkovou alebo hliníkovou anódou, potenciál vnútri štrbiny môže byť znížený pod potenciál jamkovej jamky, ale to si vyžaduje starostlivý návrh, aby sa zabránilo vodíkovému skrehnutiu plášťa.

Identifikácia štrbinovej korózie na inštalovaných ohrievačoch v teréne

V prevádzke ohrievače budú vykazovať štrbinovú koróziu na montážnej prírube ako prstenec s jamkami alebo všeobecný odpad bezprostredne priliehajúci k prírube alebo tesneniu, typicky 1 až 5 mm od bodu kontaktu. Útok je zvyčajne najhlbší, keď je štrbinová medzera najmenšia. Ak sa pozriete pod rozobratú prírubu, môžete vidieť, že skorodovaná oblasť je tmavý bodkovaný pás bez viditeľného kovu. Medzi produkty korózie bežne patria zelené soli chloridu nikelnatého. Ak je ohrievač v prevádzke viac ako 1-2 roky a voda obsahuje chloridy nad 100 ppm, potom by malo byť podozrenie na štrbinovú koróziu vždy, keď sa z akéhokoľvek dôvodu odstráni prírubový ohrievač. Pri výmene musí byť nový ohrievač umiestnený buď s dizajnom s otvorenou medzerou (vôľa väčšia alebo rovná 1,0 mm) alebo s úplne tesniacim tesnením, ktoré neumožňuje vniknutie elektrolytu.

Záver: Spoľahlivý servis bez štrbinovej montáže

Štrbinová korózia sa začala v 316 ponorných ohrievačoch zapuzdrených z nehrdzavejúcej ocele v 200 ppm chloridovej vody pri 80 stupňoch pri šírke štrbinovej medzery pod 0,5 mm počas 12 mesiacov a perforácia sa vyskytla v priebehu 24 mesiacov. Ak sú medzery väčšie ako 0,7 mm, jednotka zaručí 5+ roky bezproblémovej prevádzky. Pri výbere prírubových ohrievačov máte tri možnosti: navrhnite držiak tak, aby ste mali medzi plášťom a akýmkoľvek susedným kovovým povrchom medzeru aspoň 1,0 mm, použite úplne tesniace tesnenie, ktoré zabráni vniknutiu vody do oblasti štrbiny, alebo upgradujte materiál plášťa na zliatinu na rozhraní odolnejšiu voči štrbinám. Tu uvedený prístup umožňuje kupujúcim špecifikovať montážne geometrie, ktoré zabránia najčastejšej príčine predčasného zlyhania prírubových 316 ponorných ohrievačov pracujúcich v horúcej vode obsahujúcej chlorid{14}, a to tak, že šírku štrbiny priradí k kvantifikovateľným časovým rámcom spustenia.