Miksi ruostumattomasta teräksestä valmistetun 316-lämmitysvaipan rakokorroosionkestävyys riippuu seinämän paksuudesta kloridi{1}}kuormitetuissa prosessinesteissä?

Kemianprosessin insinööreille, jotka määrittävät sähköiset uppolämmittimet kloridi{0}}joille, jotka sisältävät liuoksia meriveden ottolinjoista elintarviketeollisuuden suolaliuoksiin ja jäähdytystorneihin, ruostumattoman teräksen 316 määrittäminen vaippamateriaaliksi on tyypillinen suoja piste- ja rakokorroosiota vastaan. Laji sisältää 2-3 % molybdeeniä, joka on todistetusti kestänyt klooria yli 304 ruostumattoman teräksen. Vaipan seinämän paksuuden ja sen ajan välillä, joka tarvitaan rakokorroosion syömiseen putken seinämän läpi ja prosessinesteen putkeen pääsemiseen, on myös vähemmän yleisesti tunnustettu, mutta käytännössä tärkeä suhde. Ohuemmat seinät eivät aina ole vähemmän kestäviä korroosion alkamiselle, mutta kun paikallinen korroosio on alkanut, jäljellä oleva käyttöikä on suoraan verrannollinen jäljellä olevaan seinämän paksuuteen. Tässä artikkelissa mitataan 316 vaipan seinämän paksuuden, rakokorroosion etenemisnopeuksien ja turvallisen käyttöikkunan vuorovaikutusta aggressiivisissa kloridiympäristöissä, mikä tarjoaa järkevän perustan seinämän vähimmäispaksuuden määrittämiselle odotetun käyttöiän perusteella yleisten materiaalisuositusten sijaan.

Ruostumattoman teräksen 316 vaipan rakokorroosion mekanismi
316 ruostumattomasta teräksestä valmistettua lämmitysvaippaa altistuvat rakokorroosiolle geometrisissä epäjatkuvuuksissa, joissa liuos on pysähtynyt. Rakojen yleisiä paikkoja ovat vaipan ja asennuslaipan tiivisteen välinen rajapinta, kierteitetty liitosalue, kerrostuneen kalkin tai biofouling-kalvojen alla sekä lämmittimen ja tukikiinnikkeiden välinen kosketuskohta. Mekanismi toimii klassisen sekvenssin mukaisesti. Hapen diffuusio bulkkiliuoksesta ei ole tarpeeksi nopeaa täydentämään happea rakossa, koska se kuluu korroosioreaktioiden vuoksi. Raon sisällä pinta on anodinen ulkopintaan verrattuna. Kloridi-ionit diffundoituvat rakoon säilyttääkseen varausneutraaliuden, ja metallikloridin hydrolyysi johtaa suolahapon muodostumiseen ja paikallisen pH:n laskuun niinkin alhaisiin arvoihin kuin 2–3. Autokatalyyttinen prosessi, joka nopeutuu edetessään. Ruostumattoman teräksen 316 1-prosenttisessa natriumkloridiliuoksessa kriittinen rakolämpötila on noin 15–20 astetta kriittisen pistesyöpymislämpötilan alapuolella. Käytännössä 316-vaippa, joka pystyy vastustamaan pistesyöpymistä merivedessä 50 asteessa, on edelleen rakokorroosiota kiinnityspisteissä, jos se on suunniteltu tiukoilla, pysähtyneillä rakoilla. Vakiintuneen rakokorroosiokohdan leviämisnopeus vaipan seinämän läpi on luokkaa 0,5 – 2,0 mm/vuosi lämpimissä kloridiliuoksissa riippuen kloridipitoisuudesta, lämpötilasta, pH:sta ja hapettavien aineiden läsnäolosta. Etenemisnopeuden on havaittu olevan käytännöllisesti katsoen riippumaton alkuperäisestä seinämän paksuudesta,{20}}mutta rei'itysaika vaihtelee suoraan paksuuden mukaan.

Seinämän paksuuden ja rei'itysajan välinen määrällinen suhde
316-vaipan turvallinen käyttöikä ennen rei'itystä tietyissä prosessiolosuhteissa ja kiinteässä rakon etenemisnopeudessa on suunnilleen yhtä suuri kuin seinämän alkuperäinen paksuus jaettuna etenemisnopeudella. Tämä suhde edellyttää, että aloitus on jo tapahtunut, ja se on varovainen suunnitteluoletus aggressiiviselle kloridipalvelulle. Ota 316 vaippa, seinämän paksuus 1,0 mm, 60 asteen meriveteen, jonka rakokorroosion etenemisnopeus on 0,8 mm/vuosi. Raon alkamisaika rei'itykseen on noin 1,25 vuotta. Vertailun vuoksi sama lämmitin, jonka seinämäpaksuus on 2,0 mm, kestäisi 2,5 vuotta ennen rei'itystä - kaksinkertaisen turvallisen käyttöiän. 2,5 mm:n vaipan kohdalla aika pitenee 3,1 vuoteen. Tämän lineaarisen yhteyden vahvistavat rannikkokemian tehtaiden kenttävikatiedot. Tarkasteltaessa 316 koteloitua uppolämmitintä murtovesijäähdytysjärjestelmissä 50{29}}70 C:n lämpötilassa havaittiin, että ensimmäiset rei'ityshäiriöt tapahtuivat yksiköissä, joiden seinämäpaksuus oli 1,2 mm keskimäärin 14 kuukauden käytön jälkeen. Saman valmistajan yksiköt, joissa oli sama vesikemia, mutta seinämän paksuus 1,8 mm, kestivät keskimäärin 26 kuukautta ensimmäiseen vikaan. Yksiköt, joiden seinämäpaksuus on 2,5 mm ja joita tavallisesti vaaditaan suuremmille paineluokille, olivat keskimäärin 38 kuukautta. Tärkeää on, että kaikki viat tapahtuivat rakokohdissa{31}}laipan rajapinnassa ja tukikoskettimissa eivätkä vapaan putken pinnassa. Lineaarinen suhde paksuuden ja käyttöiän välillä säilyi huomattavasti, mikä osoitti, että kun rakokorroosio alkoi, seinämän paksuus ohjasi suoraan aikaa, jonka lämmitin pysyi tiiviinä.

Paksumpien seinien lämpövaikutukset syövyttävässä käytössä
Paksumpien seinien korroosionetu on tasapainotettava aiemmin tässä sarjassa esitettyyn lämpövaurioon nähden. 2,5 mm:n 316:n vaipalla on noin 60 % suurempi lämpövastus kuin 1,2 mm:n vaipalla, jolla on sama ulkohalkaisija. Saman prosessin kuumennusnopeuden aikaansaamiseksi paksummalla vaipalla varustettua lämmitintä on joko käytettävä korkeammissa sisälangan lämpötiloissa tai sen on oltava fyysisesti pidempi, jotta saadaan enemmän pinta-alaa samalla wattitiheydellä. Molemmat ovat seurausta. Kohonnut langan lämpötila johtaa vastuslangan hapettumiseen ja magnesiumoksidieristeen vaurioitumiseen. Koko lämmittimen käyttöikää voivat rajoittaa pikemminkin sähköiset kuin korroosionäkökohdat. Säiliöissä, joissa on vähän tilaa tai suuttimen läpivientejä, lämmittimen laajentaminen ei ehkä ole käytännöllistä. Käytännön vastaus on ymmärtää, että erittäin syövyttävässä kloridikäytössä korroosion tunkeutumisaika on usein hallitseva rajoitus. Usein paksumpi seinä ei johdu konservatiivisuudesta, vaan vaatimuksesta, jonka mukaan vaihtojen välillä on oltava vähintään kahdesta viiteen vuotta hyväksyttävä käyttöikä. Lämpötehokkuushaitta on tunnustettu hintaksi luotettavuudelle.

Seinän paksuuden valintamatriisi kloridihuoltoa varten vaaditun käyttöiän perusteella
Seuraavassa taulukossa on esitetty suositeltu 316 vaipan seinämän paksuus uppolämmittimille, jotka sisältävät kloridi{1}}teollisuuden nesteitä. Arvot perustuvat jatkuvaan toimintaan, rakokohtien (laipat, kierteet tai tuet) saatavuuteen ja tavoitteeseen vähintään 2 vuoden vuototiivistä-huollosta ennen kuin rei'itysriski kasvaa huomattavaksi. Ohuemmat seinät voidaan sallia sovelluksissa, joissa ei ole rakokohtia (esim. sileä saumaton putki, joka roikkuu säiliön yläosasta ilman kosketuskohtia). Tällaiset mallit ovat kuitenkin käytännössä harvinaisia.

Kloridipitoisuus ja prosessilämpötila mitattu tai arvioitu rakon leviämisnopeus Vähintään 316 vaipan seinämän paksuus 2 vuoden käyttöiässä Vähintään 316 vaipan seinämän paksuus 4 vuoden käyttöiässä Suositeltu wattitiheys alentava merivettä (19 000 astetta C3000 ppm) 0,4–0,6 mm/vuosi 1,2 mm 2,0 mm 10 % standardista
Merivesi (19 000 ppm Cl⁻), 50-70 astetta 0.8 - 1.2 mm/vuosi 2,0 mm 3,0 mm (ottaa huomioon Incoloy 825) 20 % standardista
Murtovesi (5 000 ppm Cl⁻), 40–60 astetta 0,3–0,5 mm/vuosi 1,0 mm 1,6 mm Ei tarvita
Laimea suolaliuos (1 000 - 3 000 ppm Cl⁻), 80-95 astetta 0.6 - 1.0 mm/vuosi 1,6 mm 2,5 mm 15 % standardista
Jäähdytystornin vesi (500 ppm Cl⁻, runsaasti happea), 30-50 astetta 0,2-0,3 mm/vuosi 0,8 mm 1,2 mm Ei vaadita
Kemiallinen menettely (10 % NaCl-liuos), 90-100 astetta 1,5 – 2,0 mm/vuosi 3,0 mm (ei suositella - vaihda seos)316 25% vähennys ei pidä lejeeringin parantamista
Tässä taulukossa oletetaan, että on olemassa rakokohtia, joita ei voida poistaa suunnittelulla. Yli neljän vuoden käyttöiässä ruostumaton 316-teräs on marginaalinen, seinän paksuudesta riippumatta, lämpimissä ja korkeassa{2}}kloridipitoisissa olosuhteissa. Joissakin olosuhteissa siirtyminen korkeampaan metalliseokseen, kuten Incoloy 825:een (42 % nikkeliä, 21 % kromia, 3 % molybdeeniä) tai titaaniin, tarjoaa ylivoimaisen rakokorroosionkestävyyden, mutta materiaalikustannukset ovat korkeammat. Lisäksi näillä vaihtoehtoisilla lejeeringeillä on usein suuruusluokkaa pienempi etenemisnopeus ja siten seinämän paksuutta voidaan pienentää.

Suunnittelumuutokset rakokorroosion riskin minimoimiseksi seinän paksuutta lisäämättä
Insinöörien tulisi aluksi tarkastella suunnittelumuutoksia, jotka vähentävät halkeaman alkamisen todennäköisyyttä, ennen kuin hyväksyvät paksumman seinän lämpövaikutuksen. Paras tapa on päästä eroon halkeamista kokonaan. Tasaisella kierteittämättömällä 316-suojuksella varustetulla lämmittimellä, jossa on hitsattu kiinnityslaippa ja jossa ei ole tiivistettä tai kosketusta tukiin, voi olla paljon pidempi käyttöikä kuin ohuemmalla seinällä, jossa on rakoja. Täysi läpitunkeuma hitsaa tasaisesti pinnan kanssa välttäen päällekkäisiä metallipintoja. Ei--imukykyisten tiivistemateriaalien, kuten laajennetun PTFE:n, käyttö voi vähentää rakojen vakavuutta Toinen tapa on käyttää katodisuojausta. Uhrautuvan sinkki- tai alumiinianodin kiinnittäminen lämmittimen asennuslaippaan voi siirtää 316-vaipan potentiaalia alueelle, jolla rakokorroosion alkaminen vähenee. Suolavesijäähdytysjärjestelmien kenttäkokeet ovat osoittaneet, että katodisesti suojattujen 1,6 mm:n 316-vaippojen käyttöikä on yhtä suuri kuin 2,5 mm:n vaipat ilman suojaa. Kolmas tapa on säännöllinen kemiallinen puhdistus, jolla eliminoidaan rakokohtia muodostavat biolikaantuminen ja kalkkikerrostumat. Jopa vuotuinen veden huuhtelu tai biosidikäsittely voi merkittävästi minimoida vaipan pinnan rakotilanteen.

Johtopäätös: Vaipan paksuuden määrittely korroosion käyttöiän hallintatyökaluna 316
Seinämän paksuus on kaksinkertainen,{0}}kun insinöörit valitsevat 316 ruostumattomaan teräkseen päällystettyä sähkölämmityselementtiä klorideja sisältäville prosessinesteille. Se tarjoaa mekaanisen lujuuden ja paineenrajoituksen, kuten mainitsimme aiemmissa osissa. Se toimii kuitenkin myös korroosionvaraajana, materiaalivarastona lämmittimen koko käyttöiän ajan vuodon{4}}tiiveyden vuoksi rakokorroosion alkamisen jälkeen. Rakohyökkäyksen etenemisvauhti lämpimissä klorideissa on hyvin ennustettavissa, 0,5-1,5 mm vuodessa, olosuhteista riippuen. Siksi seinämän vähimmäispaksuus määräytyy suoraan halutun käyttöiän mukaan. Lämmittimen, jonka oletetaan kestävän kaksi vuotta 60 asteen merivedessä, seinämän paksuuden on oltava vähintään 1,6-2,0 mm. Lämmitin voi olla varsin tyydyttävä 1,0 mm ja kestää kuusi kuukautta. Tekninen valinta ei ole, jos 316 "sopii" kloridihuoltoon absoluuttisesti-, se on seinämän paksuuden sovittaminen vaaditun vaihtovälin mukaan. Insinöörien tulee ilmoittaa toimittajalle ennustettu kloridipitoisuus, käyttölämpötila ja tavoitekäyttöikä määritellessään lämmittimiä syövyttävää käyttöä varten. Toimittaja voi siksi suositella seinämän paksuutta, joka tasapainottaa korroosion kestävyyden ja lämpötehokkuuden, välttäen ennenaikaiset rei'ityshäiriöt ja tarpeettoman ylimääräisen paksuuden lämpövaurion. Jos tarkastelet yli neljän vuoden käyttöikää lämpimissä klorideissa, rehellinen tekninen neuvo on vaihtaa seos mieluummin kuin laajentaa 316:n seinämän paksuutta yli 2,5 mm:n, koska lämpö- ja kustannussakkoista tulee kohtuuttomia.