Prečo elektrické vykurovacie rúrky s plášťom z nehrdzavejúcej ocele 316 zažívajú zrýchlenú štrbinovú koróziu pod podpornými konzolami z PTFE v miernych-zásobníkoch na chlórovú horúcu vodu?

Nosné konzoly pre elektrické vykurovacie rúrky v zásobníkoch teplej vody sú často vyrobené z polytetrafluóretylénu (PTFE) alebo iných fluórovaných polymérov a používajú sa na uchytenie plášťa z nehrdzavejúcej ocele 316 od stien nádrže z uhlíkovej ocele. Táto konštrukcia zabraňuje galvanickej korózii rôznych kovov, ale analýza zlyhania komerčných ohrievačov vody a tepelných akumulačných systémov ukazuje, že štrbina vytvorená medzi konzolou z PTFE a plášťom z nehrdzavejúcej ocele 316 vytvára agresívnu lokálnu chémiu podporujúcu jamkovú a štrbinovú koróziu, ktorá často vedie k poruche ohrievača do 6-18 mesiacov vo vode s obsahom iba 50{7} ppm chloridu. Samotný PTFE materiál je chemicky inertný, ale neabsorpčná a nepriepustná charakteristika PTFE bráni kyslíku a objemovej vode vniknúť do tesnej trhliny, čo vedie k rozdielnej tvorbe prevzdušňovacích buniek. Akonáhle sa vytvorí trhlina, voda zachytená v štrbine vedie hydrolytické reakcie, ktoré znižujú lokálne pH na hodnoty až 3,5-4,0. Chloridové ióny sa presúvajú do štrbiny, aby sa zachovala neutralita náboja, pričom koncentrácie dosahujú až 10-násobok koncentrácie vo vode. Tento článok odhaduje kinetiku štrbinovej korózie pod PTFE podperami na plášťoch z nehrdzavejúcej ocele 316 a navrhuje inžinierske techniky na zabránenie tomuto poruchovému režimu v teplovodných službách.

Elektrochemický mechanizmus štrbinovej korózie pod -poréznymi polymérovými nosičmi
Mechanizmus štrbinovej korózie na nehrdzavejúcej oceli 316 vyžaduje geometrickú medzeru zvyčajne menšiu ako 0,1 mm na vytvorenie zóny obmedzenej difúziou. Keď sú podporné konzoly z PTFE upnuté proti plášťu obsahujúcemu gumovú alebo silikónovú výplň, môžu vytvárať medzery 0,05–0,3 mm v závislosti od rozdielov v kompresii a tepelnej rozťažnosti. Keď objemová voda prenikne do tejto štrbiny, kyslík v uzavretom objeme sa rýchlo vyčerpá katódovými redukčnými procesmi na kovovom povrchu. V katódovom procese sa kyslík a elektróny redukujú za vzniku hydroxidových iónov: O 2 + 2H 2 O + 4e- → 4OH - Keďže PTFE je nepriepustný pre difúziu kyslíka, nedochádza k jeho doplňovaniu z objemovej vody. Malý objem, ktorý sa zachytí, sa odvzdušní a lokálny potenciál sa presunie do oblasti aktívnej korózie pre nehrdzavejúcu oceľ 316. Chlorid kovu v štrbine podlieha hydrolýze za vzniku voľnej kyseliny: FeCl 2 + 2H 2 O → Fe(OH) 2 + 2HCl Táto autokatalytická metóda znižuje pH na úrovne, ktoré depasivujú nehrdzavejúcu oceľ 316, čo vyžaduje len 50 – 100 ppm objemového chloridu na začatie a udržanie útoku.

Experimentálne štúdie s mikroelektródami umiestnenými v trhlinách medzi PTFE blokmi a doskami z nehrdzavejúcej ocele 316 v 100 ppm chloridovej vody pri 70 stupňoch ukazujú postup nasledovne:

Prvých 24 hodín: Objemové pH 7,2, štrbinové pH 6,5, štrbinový chlorid 120 ppm.

72 hodín. Štrbina pH 5,2, chlorid 280 ppm. Potenciál otvoreného okruhu sa posúva z +50 mV na -250 mV oproti Ag/AgCl.

168 h pH 3,8 chlorid 960 ppm (štrbina). Viditeľné jamky začínajú na okraji štrbiny.

336 hodín: pH 3,2, koncentrácia chloridu v štrbine 1100 ppm Rýchlosť prieniku do jamiek viac ako 0,1 mm za týždeň pri 70 stupňoch.

Pre zásobníky horúcej vody s teplotou 60 – 80 stupňov sa rýchlosť korózie zvýši o faktor 2 – 3 na každých 10 stupňov v dôsledku rýchlejšej difúznej rýchlosti a agresívnejšej kinetiky hydrolýzy.

Kritická šírka medzery a problémy s kompatibilitou materiálu
Nie všetky praskliny sú rovnako škodlivé. Najagresívnejšia štrbinová korózia sa vyskytuje v určitom geometrickom rozsahu a rozhranie PTFE – nehrdzavejúca oceľ spadá priamo do rozhodujúcej zóny. Výsledky kontrolovaných štúdií medzier v nehrdzavejúcej oceli 316 v 150 ppm chloridovej vody pri 75 stupňoch sú nasledovné. Vzťah medzi šírkou štrbinovej medzery a maximálnou hĺbkou jamy po 500 hodinách je:

Šírka štrbinovej medzery (mm) Stav difúzie kyslíka Maximálna hĺbka jamky (mm) Morfológia jamky < 0,02 (v podstate kontakt kovu s kovom) Bez prenikania vody, bez štrbinovej korózie 0,00 Bez napadnutia 0,02 – 0,08 Silný nedostatok kyslíka, obmedzený prienik vody 0,25 – 0,08 Hlboké úzke jamky45.
0,08 – 0,25 Stredná výmena vody, aktívny autokatalytický cyklus 0,40-0,70 Veľké podrezané otvory
0,25 – 0,50 Nižšia tvrdosť, čiastočná cirkulácia vody 0,15 – 0,30A počet plytkých výkopov 0,50 Voľná ​​cirkulácia vody, možná difúzia kyslíka < 0,05 Minimálne napadnutie Stlačenie podporných konzol z PTFE kovovými pásikmi alebo pružinovými svorkami často vytvára medzery v rozsahu 0,05-0,20 mm. To je dôvod, prečo je PTFE špecifickým problémom proti poréznym materiálom, ako je guma alebo kompozity vystužené vláknami. Gumové tesnenia a materiály EPDM (etylén propyléndiénový monomér) sú do určitej miery priepustné pre kyslík, čo umožňuje postupný prechod, ktorý občas môže udržať pasívne podmienky. PTFE má priepustnosť pre kyslík približne 0,5 × 10⁻¹3 cm3·cm/(cm²·s·Pa), a preto je prakticky dokonalou kyslíkovou bariérou, čo znamená, že objem štrbiny je úplne odvzdušnený.

Údaje z terénu o znížení životnosti komerčných ohrievačov vody
Analýza distribúcie hlavnej príčiny 247 zlyhaných 316 elektrických vykurovacích rúr z nehrdzavejúcej ocele vrátených z komerčných zásobníkov teplej vody (kapacita 150 – 500 litrov, nastavená hodnota 60 – 80 stupňov, mestská voda s chloridom 40 – 200 ppm) odhalila: 43 % porúch iniciovaných v štrbinách nosnej konzoly z PTFE, 31 % v oblasti {10 % pri zváraní a 10 zvaroch} tepelné tesnenia a 8 % zo všeobecnej jamkovej korózie na rovných častiach plášťa. Medián času do zlyhania v prípade porúch súvisiacich so štrbinou z PTFE{14} bol 14 mesiacov vs. 31 mesiacov v prípade porúch súvisiacich so zvarom-a 46 mesiacov v prípade všeobecných zlyhaní jamkovej jamky.

Kratšie doby zlyhania boli pozorované pri ohrievačoch používajúcich PTFE konzoly v najteplejšej zóne vody blízko dna nádrže. Najhorúcejšia voda sa stratifikuje v spodnej tretine zásobníkov, pričom teploty plášťa dosahujú 5–15 stupňov nad nastavenou hodnotou objemovej vody v dôsledku lokálnych účinkov ohrevu. PTFE držiaky v ohrievačoch prevádzkovaných pri teplote 75 stupňov a v zóne 80-85 stupňov zlyhali v priemere za 8-11 mesiacov.

Kvantitatívne skúmanie údajov o chemickom zložení vody z neúspešných inštalácií ohrievača naznačuje vysokú súvislosť medzi koncentráciou chloridov a časom do zlyhania PTFE-štrbiny:

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

30-80 ppm chloridu: medián zlyhania 28 mesiacov (rozsah 18-48 mesiacov).

80-150 ppm chloridu Medián zlyhania 12 mesiacov Rozsah 6-24 mesiacov.

150-300 ppm chlóru Medián zlyhania 4 mesiace Rozsah 2-8 mesiacov

Praktickým dôsledkom je, že PTFE nosné konzoly sú najslabším článkom v zostave ohrievača v mnohých komunálnych vodárenských zdrojoch (zvyčajne 20-100 ppm chloridov), aj keď množstvo chloridov by naznačovalo, že nehrdzavejúca oceľ 316 by mala stačiť na 5-10 rokov.

Konštrukčné zmeny na odstránenie problému so štrbinou PTFE
Okrem základnej konštrukcie nádrže existuje množstvo technických postupov, ktoré možno použiť na minimalizáciu štrbinovej korózie pod podpornými konzolami. Najúčinnejšie metódy menia materiál konzoly, geometriu inštalácie alebo kvalitu povrchu plášťa v kontaktnom bode.

Najprv nahraďte PTFE konzoly materiálmi priepustnými pre kyslík alebo úplne poréznymi materiálmi. V nosiči z penovej gumy EPDM je cez polymérnu matricu otvorená cesta pre difúziu kyslíka, takže pozitívny potenciál je na kovovom povrchu udržiavaný aj pri stlačení. Testy držiakov peny PTFE vs. EPDM na 316 plášťoch v 150 ppm chloridovej vody pri 75 stupňoch preukázali, že ohrievače vybavené -EPDM nevykazujú žiadne trhliny po 2 000 hodinách, ale ohrievače vybavené PTFE- vytvorili jamky 0,4 mm za 500 hodín.

Po druhé, prerobte tuhé konzoly s drenážnymi kanálmi. Blok PTFE nebude súvislý, ale bude mať tri-bodové kontaktné podložky (každá podložka má šírku 3 – 5 mm) s 5 mm intervalmi medzi nimi. Dĺžka kontaktu s plášťom by mala byť 20-40 mm. Medzery umožňujú hromadný tok vody a kyslíka do zachytených priestorov. Testovanie ukazuje, že konštrukcia konzoly s tromi podložkami minimalizuje hĺbku štrbinovej korózie o 80 % v porovnaní s pevnou kontaktnou konzolou.

Po tretie, špecifikujte tepelne striekaný hliníkový povlak na plášti v miestach kontaktu konzoly. Je to spôsobené hliníkovým povlakom s hrúbkou 0,1 až 0,2 mm, ktorý prednostne koroduje a poskytuje obetnú anódu na ochranu spodnej nehrdzavejúcej ocele 316. Zrýchlené testovanie v 200 ppm chloridu pri 80 stupňoch ukazuje, že kontaktné body potiahnuté hliníkom sú neporušené bez jamkovej jamky 316 po 3000 hodinách. Nepotiahnuté kontroly zlyhali v priebehu 500-800 hodín.

Po štvrté, ak máte existujúce konzoly z PTFE, ktoré sa nedajú nastaviť, umiestnite medzi konzolu a plášť vysokoteplotný polysulfidový tmel alebo silikónové tesnenie. Tesniaci tmel úplne upcháva trhlinu, čím eliminuje prenikanie vody a diferenciálnu prevzdušňovaciu komoru. Táto metóda si však vyžaduje opatrnú implementáciu a pravidelnú kontrolu, pretože tmel sa časom znehodnotí a znovu vytvorí{2}}štrbinu.

Jazyk špecifikácie pre podpery ohrievača, odolný voči korózii
Pri obstarávaní elektrických vykurovacích rúrok z nehrdzavejúcej ocele 316 pre systémy na skladovanie horúcej vody s použitím PTFE alebo iných polymérových nosných držiakov by inžinieri mali do špecifikácie obstarávania zahrnúť nasledujúce požiadavky. Pri koncentrácii chloridov v objeme vyššej ako 50 ppm požadujte, aby materiál konzoly bol polymér prepúšťajúci kyslík- (napr. pena EPDM), alebo aby mala konzola drenážne kanáliky s minimálnou šírkou 2 mm, rozmiestnené v intervaloch nepresahujúcich 10 mm, alebo aby bol povrch plášťa na všetkých miestach kontaktu opatrený striekaným hliníkovým alebo zinkovým povlakom s hrúbkou minimálne 0,1 mm. V prípade nádrží, pri ktorých sa očakáva, že budú mať hladiny chloridov vyššie ako 150 ppm, odporúčame buď úplné odstránenie polymérových nosičov pomocou plášťov s integrálne privarenými dištančnými prvkami (316 výstupkov z nehrdzavejúcej ocele na hlavnej rúrke), alebo upgrade materiálu plášťa na super-austenitickú zliatinu 254 SMO alebo titánový ohrievač 2. triedy. Štúdie v teréne z tepelne izolačných systémov s tepelným akumulačným systémom s dlhšou životnosťou ako 8-ročná tepelná akumulačná voda s použitím konštrukcie 200 – 300 ppm chloridu, v porovnaní so 4 – 8 mesiacmi pre dizajny s PTFE{20}}zátvorkami v rovnakej službe. Uvedomujúc si, že problémom nie je nehrdzavejúca oceľ 316, ale prasklina spôsobená inak neškodným PTFE držiakom, môžu inžinieri špecifikovať jednoduché a lacné úpravy dizajnu na odstránenie najbežnejšieho chybového režimu v komerčných systémoch ohrievačov teplej vody.