Miért függ a 316-os rozsdamentes acél fűtőköpeny réskorrózióval szembeni ellenállása a falvastagságtól a klorid{1}}terhelt folyamatfolyadékokban?

Azon vegyipari folyamatmérnökök számára, akik elektromos merülő fűtőberendezéseket írnak elő klorid{0}}hoz, amelyek oldatokat tartalmaznak a tengervíz-bevezető vezetékektől az élelmiszer-feldolgozási sóoldatig és a hűtőtornyok aknáiig, a 316-os rozsdamentes acél használata a burkolat anyagaként tipikus védekezés a lyuk- és réskorrózió ellen. A minőség 2-3% molibdént tartalmaz, amely a 304-es rozsdamentes acélhoz képest bizonyítottan ellenáll a klórnak. Van egy ritkábban felismert, de gyakorlatilag fontos összefüggés a köpeny falának vastagsága és a réskorróziónak a cső falán való áthatolásához, valamint a technológiai folyadék csőbe való bejutásához szükséges idő között. A vékonyabb falak nem mindig kevésbé ellenállnak a korróziónak, de a helyi korrózió beindulása után a fennmaradó élettartam egyenesen arányos a fennmaradó falvastagsággal. Ez a cikk számszerűsíti a 316-os burkolat falvastagságának, a réskorrózió terjedési sebességének és a biztonságos működési ablaknak a kölcsönhatását agresszív kloridos környezetben, ésszerű alapot biztosítva a minimális falvastagság meghatározásához a várható élettartam alapján, nem pedig általános anyagajánlások alapján.

A 316-os rozsdamentes acél burkolat réskorróziójának mechanizmusa
A 316 rozsdamentes acél fűtőköpenyek réskorróziónak vannak kitéve geometriai megszakadásoknál, ahol stagnáló oldatviszonyok vannak jelen. A repedések gyakori helyei közé tartozik a köpeny és a szerelőkarima tömítése közötti interfész, a menetes csatlakozási terület, a lerakódott vízkő vagy bioszennyeződést okozó filmek alatt, valamint a fűtőelem és a tartókonzolok érintkezési pontja. A mechanizmus klasszikus sorozatként működik. Az oxigén diffúziója az ömlesztett oldatból nem elég gyors ahhoz, hogy pótolja az oxigént a résben, mivel azt a korróziós reakciók kimerítik. A résen belül a felület a külsőhöz képest anódos. A kloridionok bediffundálnak a hasadékba, hogy fenntartsák a töltéssemlegességet, a fém-klorid hidrolízise pedig sósav képződését és lokális pH-értékének csökkenését eredményezi, egészen 2-3-ig. Egy autokatalitikus folyamat, amely menet közben felgyorsul. A 316-os rozsdamentes acél 1%-os nátrium-klorid-oldatában a kritikus réshőmérséklet körülbelül 15-20 fokkal a kritikus pitting hőmérséklet alatt van. Gyakorlatilag egy 316-os burkolat, amely képes ellenállni a tengervízben 50 fokos lyukasztásnak, akkor is réskorrózióval rendelkezik a rögzítési pontokon, ha szűk, pangó résekkel van kialakítva. Egy kialakított réskorróziós hely terjedési sebessége a köpenyfalon keresztül 0,5-2,0 mm/év nagyságrendű meleg kloridoldatokban a kloridkoncentrációtól, hőmérséklettől, pH-tól és oxidálószerek jelenlététől függően. A terjedési sebesség gyakorlatilag független a kezdeti falvastagságtól,{20}}de a perforációig eltelt idő közvetlenül a vastagságtól függ.

A falvastagság és a perforációs idő közötti mennyiségi kapcsolat
A 316-os hüvely biztonságos élettartama a perforálás előtt adott folyamatkörülmények és rögzített résterjedési sebesség mellett megközelítőleg egyenlő a kezdeti falvastagság osztva a terjedési sebességgel. Ez a kapcsolat azt feltételezi, hogy a kezdeményezés már megtörtént, és ez az óvatos tervezési feltételezés az agresszív klorid-szolgáltatásnál. Vegyünk egy 316-os, 1,0 mm falvastagságú hüvelyt 60 fokos tengervízben, 0,8 mm/év meghatározott réskorrózióterjedési sebességgel. A rés keletkezésének ideje a perforációig körülbelül 1,25 év. Összehasonlításképpen, ugyanaz a 2,0 mm-es falvastagságú fűtőtest 2,5 évig is túlélné a perforációt, - a biztonságos élettartam duplája. 2,5 mm-es hüvely esetén az idő 3,1 évre nő. Ezt a lineáris kapcsolatot megerősítik a part menti vegyi üzemek terepi meghibásodási adatai. Az 50{29}}70 °C-os sósvizes hűtőrendszerekben lévő 316 burkolt merülőfűtőelem felülvizsgálata során megállapították, hogy átlagosan 14 hónapos üzemidő után az első perforációs hibák az 1,2 mm falvastagságú egységeknél fordultak elő. Az azonos gyártótól származó, azonos vízkémiai összetételű, de 1,8 mm-es falvastagságú egységek átlagosan 26 hónapig tartottak az első meghibásodásig. A 2,5 mm falvastagságú egységek, amelyek általában nagyobb nyomásértékekhez szükségesek, átlagosan 38 hónapot értek el. Fontos, hogy minden meghibásodás a réshelyeken,{31}}a karima interfészének és a támaszték érintkezőinek helyén történt, nem pedig a cső szabad felületén. A vastagság és az élettartam közötti lineáris összefüggés figyelemreméltóan megmaradt, ami azt bizonyítja, hogy a réskorrózió megindítása után a falvastagság közvetlenül szabályozta azt az időt, ameddig a fűtőtest tömített marad.

Vastagabb falak hőhatásai korrozív üzemben
A vastagabb falak korróziós előnyét egyensúlyba kell hozni a sorozat korábban vázolt hőbüntetésével. A 2,5 mm-es 316-os hüvelynek körülbelül 60%-kal nagyobb a hőállósága, mint az azonos külső átmérőjű 1,2 mm-es burkolatnak. Az azonos folyamatfűtési sebesség eléréséhez a vastagabb burkolatú fűtőtestet vagy magasabb belső huzalhőmérsékleten kell üzemeltetni, vagy fizikailag hosszabbnak kell lennie, hogy nagyobb felületet biztosítson azonos wattsűrűség mellett. Mindkettő következmény. A megnövekedett huzalhőmérséklet az ellenálláshuzal oxidációjához és a magnézium-oxid szigetelés károsodásához vezet. A teljes fűtőelem élettartamát elektromosan korlátozhatják, nem pedig korróziós megfontolások miatt. Azokban a tartályokban, ahol kevés a hely, vagy a fúvókán keresztül vannak áthatolások, előfordulhat, hogy a fűtőelem meghosszabbítása nem célszerű. A gyakorlati válasz az, hogy megértsük, hogy az erősen korrozív kloridos üzemben gyakran a korrózió behatolási élettartama az ellenőrző korlátozás. A vastagabb fal sok esetben nem a konzervativizmusnak köszönhető, hanem a cserék között két-öt év minimális elfogadható élettartam követelményének. A termikus hatásfok hátrányát a megbízhatóság áraként ismerik el.

Falvastagság-választó mátrix a klorid-szolgáltatáshoz a szükséges élettartam alapján
A következő táblázat az ipari folyadékot tartalmazó, kloridot{1}} tartalmazó merülő fűtőtestek javasolt minimális 316-os falvastagságát mutatja be. Az értékek a folyamatos működésen, a réshelyek (karimák, menetek vagy támasztékok) rendelkezésre állásán és a legalább 2 éves szivárgásmentes-szervizen alapulnak, mielőtt a perforáció kockázata jelentőssé válna. Vékonyabb falak megengedettek olyan alkalmazásoknál, ahol nincsenek réshelyek (pl. sima, varrat nélküli cső lóg a tartály tetejéről érintkezési pontok nélkül). Az ilyen tervek azonban a gyakorlatban ritkák.

Kloridkoncentráció és folyamathőmérséklet mért vagy becsült rés terjedési sebessége Minimum 316 köpenyfalvastagság 2 éves élettartamhoz Minimum 316 köpenyfalvastagság 4 éves élettartamhoz Javasolt wattsűrűség Lecsökkentő tengervíz (19 000-40 ppm C3000) 0,4-0,6 mm/év 1,2 mm 2,0 mm A szabvány 10%-a
Tengervíz (19 000 ppm Cl⁻), 50-70 fok 0.8 - 1.2 mm/év 2,0 mm 3,0 mm (lásd Incoloy 825) 20% a szabványtól
Brakvíz (5000 ppm Cl⁻), 40-60 fok 0,3-0,5 mm/év 1,0 mm 1,6 mm Nem szükséges
Híg sóoldat (1000-3000 ppm Cl⁻), 80-95 fok 0.6 - 1.0 mm/év 1,6 mm 2,5 mm 15% a szabványtól
Hűtőtorony víz (500 ppm Cl⁻, magas oxigénszint), 30-50 fok 0,2-0,3 mm/év 0,8 mm 1,2 mm Nincs szükség
Kémiai eljárás (10%-os NaCl-oldat), 90-100 fok 1,5 – 2,0 mm/év 3,0 mm (nem javasolt cserélhető ötvözet)316 25%-os leértékelés az ötvözet korszerűsítését nem tartja megvalósíthatónak
Ez a táblázat feltételezi, hogy léteznek olyan réshelyek, amelyek tervezéssel nem távolíthatók el. Négy évnél hosszabb élettartam esetén a 316-os rozsdamentes acél minimális, falvastagságtól függetlenül, meleg, magas kloridtartalmú körülmények között. Bizonyos körülmények között egy magasabb ötvözetre, például az Incoloy 825-re (42% nikkel, 21% króm, 3% molibdén) vagy a titánra való átállás alapvetően jobb réskorrózióállóságot biztosít, de magasabb anyagköltséggel. Ezenkívül ezeknek az alternatív ötvözeteknek a terjedési sebessége gyakran nagyságrendekkel kisebb, így a falvastagság csökkenthető.

Tervezési változtatások a réskorrózió kockázatának minimalizálása érdekében a falvastagság növelése nélkül
A mérnököknek először meg kell vizsgálniuk a tervezési változtatásokat, amelyek csökkentik a repedés kialakulásának valószínűségét, mielőtt elfogadnák a vastagabb fal hőbüntetését. A legjobb, ha teljesen megszabadulunk a hasadékoktól. A sima menet nélküli 316-os köpenyen hegesztett szerelőkarimával és tömített illesztőfelülettel vagy támasztékokkal való érintkezés nélkül készült fűtőberendezés sokkal hosszabb élettartammal rendelkezik, mint egy vékonyabb fal hasadékokkal. A teljes áthatolású hegesztések a felülethez simulnak, elkerülve a fémfelületek átfedését. A nem nedvszívó tömítőanyagok, például az expandált PTFE használata csökkentheti a hasadékok súlyosságát Egy másik lehetőség a katódos védelem alkalmazása. Ha cink vagy alumínium anódot ragasztunk a fűtőelem rögzítő karimájához, a 316-os hüvely potenciálja olyan tartományba kerülhet, ahol a réskorróziós kezdeményezés csökken. A sósvizes hűtőrendszerek helyszíni tesztjei azt mutatták, hogy az 1,6 mm-es 316-os, katódosan árnyékolt burkolatok várható élettartama 2,5 mm-es védelem nélküli burkolatokkal egyenlő. A harmadik módszer az időszakos vegyszeres tisztítás a bioszennyeződések és a vízkőlerakódások kiküszöbölésére, amelyek réshelyeket képeznek. Még egy évenkénti vízöblítés vagy biocid kezelés is nagymértékben csökkentheti a burkolat felületén kialakuló hasadékok időtartamát.

Következtetés: A köpenyvastagság specifikációja mint korróziós élettartam-kezelési eszköz 316
A falvastagság kétszeres jelentőségű-, amikor a mérnökök 316 rozsdamentes acél borítású elektromos fűtőelemet választanak ki a kloridokat tartalmazó technológiai folyadékokhoz. Mechanikai szilárdságot és nyomástartást biztosít, amint azt az előző részekben említettük. Mindazonáltal korrózióvédőként is működik, anyagtartalékként szolgál a fűtőelem élettartamára a réskorrózió kezdete utáni szivárgás -tömítettsége szempontjából. A réstámadás terjedésének üteme a meleg kloridokban nagyon megjósolható, a körülményektől függően évente 0,5-1,5 mm. Ezért a minimális falvastagságot közvetlenül a kívánt élettartam határozza meg. A 60 fokos tengervízben két évig tartó fűtőtestnek legalább 1,6-2,0 mm falvastagságra van szüksége. Egy fűtőtest elég kielégítő lehet 1,0 mm-rel, és hat hónapig bírja. A műszaki választás nem az, ha a 316 abszolút mértékben "alkalmas" klorid-szolgáltatásra, hanem az, hogy a falvastagságot a szükséges csereintervallumhoz igazítsa. A mérnököknek tájékoztatniuk kell a szállítót az előre jelzett kloridtartalomról, az üzemi hőmérsékletről és a cél élettartamról, amikor a fűtőberendezéseket korróziós hatású üzemelésre határozzák meg. A beszállító ezért olyan falvastagságot ajánlhat, amely kiegyensúlyozza a korróziós élettartamot a hőteljesítményekkel, elkerülve az idő előtti perforálási hibákat és a túlzott vastagság szükségtelen hőterhelését. Ha négy évnél hosszabb élettartamot szeretne meleg kloridokban, akkor az őszinte műszaki tanács az, hogy cserélje ki az ötvözetet, nehogy a 316-os falvastagságot 2,5 mm-re növelje, mert a hő- és költségbüntetések túl magasak lesznek.