Zašto otpornost na koroziju u pukotinama grijaćeg plašta od nehrđajućeg čelika 316 ovisi o debljini stjenke u procesnim tekućinama-natrpanim kloridima?

Za inženjere kemijskih procesa koji određuju električne uronjene grijače za otopine koje sadrže klorid-od vodova za unos morske vode do slanih otopina za preradu hrane i rezervoara rashladnih tornjeva, specificiranje nehrđajućeg čelika 316 za materijal omotača tipična je obrana od rupičaste i pukotinske korozije. Kvaliteta sadrži 2-3% molibdena koji je dokazano otporan na napad klora u odnosu na 304 nehrđajući čelik. Također postoji manje uobičajeno prepoznat, ali praktično važan odnos između debljine stijenke plašta i vremena potrebnog da korozija u pukotinama prođe kroz stijenku cijevi i da procesna tekućina uđe u cijev. Tanje stijenke nisu uvijek manje otporne na pojavu korozije, ali nakon što lokalizirana korozija započne, preostali vijek trajanja izravno je proporcionalan preostaloj debljini stijenke. Ovaj rad kvantificira interakciju debljine stijenke plašta 316, brzine širenja korozije u pukotinama i sigurnog radnog prozora u agresivnim kloridnim okruženjima, pružajući racionalnu osnovu za specifikaciju minimalne debljine stijenke na temelju očekivanog životnog vijeka, a ne na generičkim preporukama za materijal.

Mehanizam pukotinske korozije u plaštu od nehrđajućeg čelika 316
Grijaći omotači od nehrđajućeg čelika 316 podložni su koroziji u pukotinama na geometrijskim diskontinuitetima gdje su prisutni uvjeti stagnacije otopine. Uobičajena mjesta za pukotine uključuju sučelje između omotača i brtve montažne prirubnice, područje navojnog spoja, ispod naslaga kamenca ili biološki obraštajućih filmova, te na kontaktnoj točki između grijača i potpornih nosača. Mehanizam radi kao klasični niz. Difuzija kisika iz rasute otopine nije dovoljno brza da nadoknadi kisik u pukotini jer je iscrpljen reakcijama korozije. Unutar pukotine, površina je anodna u usporedbi s vanjskom. Ioni klorida difundiraju u pukotinu kako bi održali neutralnost naboja, a hidroliza metalnog klorida rezultira stvaranjem klorovodične kiseline i lokalnim smanjenjem pH na vrijednosti od samo 2-3. Autokatalitički proces koji se ubrzava kako ide. Kritična temperatura pukotina u 1% otopini natrijevog klorida za nehrđajući čelik 316 je oko 15-20 stupnjeva ispod kritične temperature pitinga. U praksi, omotač od 316 koji se može oduprijeti udubljenju u morskoj vodi na 50 stupnjeva i dalje će imati koroziju u pukotinama na točkama montaže ako je projektiran s čvrstim, stajaćim prazninama. Brzina širenja utvrđenog mjesta korozije u pukotinama kroz stijenku plašta je reda veličine 0,5 – 2,0 mm/godišnje u toplim otopinama klorida, ovisno o koncentraciji klorida, temperaturi, pH i prisutnosti oksidirajućih sredstava. Utvrđeno je da je brzina širenja praktički neovisna o početnoj debljini stijenke-ali vrijeme do perforacije izravno varira s debljinom.

Kvantitativni odnos između debljine stijenke i vremena perforacije
Siguran radni vijek plašta od 316 prije perforacije za dani skup okolnosti procesa i fiksnu brzinu širenja pukotina približno je jednak početnoj debljini stijenke podijeljenoj sa brzinom širenja. Ovaj odnos pretpostavlja da se inicijacija već dogodila i oprezna je pretpostavka dizajna za agresivnu uslugu klorida. Uzmite omotač od 316, debljine stijenke 1,0 mm, u morskoj vodi od 60 stupnjeva, s utvrđenom brzinom širenja pukotinske korozije od 0,8 mm/godišnje. Vrijeme od početka pukotine do perforacije je oko 1,25 godina. Za usporedbu, isti grijač s debljinom stjenke od 2,0 mm izdržao bi 2,5 godine prije perforacije - dvostruko više od sigurnog vijeka trajanja. Za plašt od 2,5 mm vrijeme se povećava na 3,1 godinu. Ovu linearnu vezu potvrđuju podaci o greškama na terenu iz obalnih kemijskih tvornica. Pregledom 316 uronjenih grijača u kućištu u sustavima za hlađenje boćatom vodom na 50-70C utvrđeno je da su se prvi kvarovi na perforaciji dogodili na jedinicama s debljinom stijenke od 1,2 mm nakon prosječno 14 mjeseci rada. Jedinice istog proizvođača, s istom kemijom vode, ali s debljinom stjenke od 1,8 mm imale su prosječno 26 mjeseci do prvog kvara. Jedinice s debljinom stjenke od 2,5 mm, koje su inače potrebne za veće vrijednosti tlaka, prosječno su trajale 38 mjeseci. Važno je da su se svi kvarovi dogodili na mjestima pukotina-sučelja prirubnice i kontaktnih mjesta potpore, a ne na slobodnoj površini cijevi. Linearni odnos između debljine i životnog vijeka bio je izvanredno očuvan, pokazujući da jednom kad je pukotinska korozija započela, debljina stijenke izravno kontrolira vrijeme u kojem je grijač ostao nepropustan.

Toplinski učinci debljih stijenki u korozivnoj službi
Korozijska korist debljih stijenki mora se uravnotežiti s toplinskom kaznom navedenom ranije u ovoj seriji. Plašt od 2,5 mm od 316 ima oko 60% veću toplinsku otpornost od omotača od 1,2 mm s istim vanjskim promjerom. Kako bi se osigurala ista brzina procesnog zagrijavanja, grijač s debljim omotačem mora ili raditi na višim unutarnjim temperaturama žice ili biti fizički dulji kako bi osigurao veću površinu pri istoj gustoći u vatima. Oba su posljedična. Povećana temperatura žice dovodi do oksidacije otporne žice i oštećenja izolacije od magnezijevog oksida. Životni vijek cijelog grijača može biti ograničen električki, a ne zbog korozije. U posudama gdje ima malo prostora ili postoje otvori kroz mlaznicu, produženje grijača možda neće biti praktično. Praktičan odgovor je razumjeti da je u visokokorozivnoj kloridnoj uporabi životni vijek prodiranja korozije često kontrolno ograničenje. U mnogim okolnostima, deblji zid nije zbog konzervativizma, već zbog zahtjeva za minimalno prihvatljivim vijekom trajanja od dvije do pet godina između zamjena. Nedostatak toplinske učinkovitosti prepoznat je kao cijena za pouzdanost.

Matrica za odabir debljine stijenke za kloridnu uslugu na temelju potrebnog životnog vijeka
Sljedeća tablica prikazuje preporučenu minimalnu debljinu stijenke plašta od 316 za uronjene grijače u industrijskim tekućinama koje-sadrže klorid. Vrijednosti se temelje na neprekidnom radu, dostupnosti mjesta pukotina (prirubnice, navoji ili potpore) i cilju najmanje 2 godine nepropusne -službe prije nego što rizik od perforacije postane značajan. Tanje stijenke mogu biti dopuštene za primjene gdje nema pukotina (npr. glatka bešavna cijev koja visi s vrha spremnika bez kontaktnih točaka). Međutim, takvi dizajni su rijetki u praksi.

Koncentracija klorida i procesna temperatura Izmjerena ili procijenjena brzina širenja pukotina Minimalna 316 debljina stjenke omotača za 2-godišnji život Minimalna 316 debljina stjenke plašta za 4-godišnji životni vijek Preporučena deratizacija gustoće u vatima Morska voda (19 000 ppm Cl⁻), 30–40 stupnjeva 0,4–0,6 mm/godišnje 1,2 mm 2,0 mm 10% standarda
Morska voda (19 000 ppm Cl⁻), 50-70 stupnjeva 0.8 - 1.2 mm/godina 2,0 mm 3,0 mm (uzmite u obzir Incoloy 825) 20% od standarda
Boćata voda (5000 ppm Cl⁻), 40–60 stupnjeva 0,3 – 0,5 mm/godina 1,0 mm 1,6 mm Nije potrebno
Razrijeđena slana otopina (1000 do 3000 ppm Cl⁻), 80-95 stupnjeva 0.6 - 1.0 mm/godišnje 1,6 mm 2,5 mm 15% od standarda
Voda iz rashladnog tornja (500 ppm Cl⁻, visok sadržaj kisika), 30–50 stupnjeva 0,2 – 0,3 mm/godina 0,8 mm 1,2 mm Nije potrebno
Kemijski postupak (10% otopina NaCl), 90-100 stupnjeva 1,5 – 2,0 mm/godina 3,0 mm (ne preporučuje se promjena legure)316 25% smanjenje snage smatra da nadogradnja legure nije izvediva
Ova tablica pretpostavlja postojanje pukotina koje se ne mogu ukloniti projektirano. Za radni vijek duži od četiri godine, nehrđajući čelik 316 marginalan je, neovisno o debljini stijenke, u toplim uvjetima s visokim -kloridom. U nekim okolnostima, prijelaz na veću leguru kao što je Incoloy 825 (42% nikla, 21% kroma, 3% molibdena) ili titan pruža suštinski bolju otpornost na koroziju u pukotinama, ali uz veću cijenu materijala. Osim toga, ove alternativne legure često imaju nižu stopu širenja za redove veličine pa se debljina stijenke može smanjiti.

Promjene dizajna za smanjivanje rizika od korozije pukotina bez povećanja debljine stijenke
Inženjeri bi prvo trebali razmotriti promjene dizajna koje smanjuju vjerojatnost nastanka pukotina prije nego prihvate toplinsku kaznu debljeg zida. Najbolje je da se u potpunosti riješite pukotina. Grijač na glatkom omotaču bez navoja 316 sa zavarenom montažnom prirubnicom i bez brtvenog sučelja ili kontakta s nosačima može imati mnogo duži život od tanjeg zida s pukotinama. Puno prodiranje zavaruje u ravnini s površinom, izbjegavajući preklapanje metalnih površina. Upotreba ne-upijajućih materijala za brtvljenje kao što je ekspandirani PTFE može smanjiti ozbiljnost pukotina Drugi način je korištenje katodne zaštite. Spajanje žrtvene cinkove ili aluminijske anode na montažnu prirubnicu grijača može pomaknuti potencijal omotača 316 u raspon u kojem je inicijacija korozije u pukotinama smanjena. Terenski testovi sustava za hlađenje slanom vodom pokazali su da omotači od 1,6 mm 316 katodno zaštićeni imaju očekivani životni vijek jednak omotačima od 2,5 mm bez zaštite. Treći način je periodično kemijsko čišćenje kako bi se uklonilo biološko obraštanje i naslage kamenca koje stvaraju pukotine. Čak i godišnje ispiranje vodom ili tretiranje biocidom može uvelike smanjiti razdoblje pukotina na površini plašta.

Zaključak: Specifikacija debljine plašta kao alat za upravljanje vijekom korozije 316
Debljina stijenke dvostruko je-važnija kada inženjeri biraju električne grijaće elemente omotane od nehrđajućeg čelika 316 za procesne tekućine koje sadrže kloride. Omogućuje mehaničku čvrstoću i zadržavanje pritiska, kao što smo spomenuli u prethodnim odjeljcima. Međutim, također djeluje kao dodatak koroziji, rezerva materijala za životni vijek grijača u smislu nepropusnosti-nepropusnosti nakon početka korozije u pukotinama. Brzina širenja napada pukotina u toplim kloridima vrlo je predvidljiva, 0,5 do 1,5 mm svake godine, ovisno o uvjetima. Stoga je minimalna debljina stijenke izravno određena željenim vijekom trajanja. Grijač koji bi trebao izdržati dvije godine u morskoj vodi od 60 stupnjeva treba debljinu stjenke od najmanje 1,6-2,0 mm. Grijač može biti sasvim zadovoljavajući s 1,0 mm i trajati šest mjeseci. Tehnički izbor nije ako je 316 "prikladan" za rad s kloridom u apsolutnoj mjeri - već odgovara debljini stijenke potrebnom intervalu zamjene. Inženjeri bi trebali savjetovati dobavljača o predviđenom sadržaju klorida, radnoj temperaturi i ciljanom radnom vijeku kada specificiraju grijače za korozivnu upotrebu. Dobavljač stoga može preporučiti debljinu stijenke koja uravnotežuje vijek trajanja od korozije i toplinsku učinkovitost, izbjegavajući preuranjene kvarove na perforaciji i nepotrebnu toplinsku kaznu prekomjerno određene debljine. Ako gledate radni vijek veći od četiri godine u toplim kloridima, iskreni tehnički savjet je da promijenite leguru radije nego produžite debljinu stijenke 316 preko 2,5 mm, jer toplinske i troškovne kazne postaju previsoke.