De ce depinde rezistența la coroziune în crăpătură a unei mantale de încălzire din oțel inoxidabil 316 de grosimea peretelui în fluidele de proces încărcate-de clorură?

Pentru inginerii de procese chimice care specifică încălzitoare electrice cu imersiune pentru soluții care conțin clorură-de la conductele de admisie a apei de mare până la saramură de procesare a alimentelor și bazinele turnului de răcire, specificarea din oțel inoxidabil 316 pentru materialul învelișului este o apărare tipică împotriva coroziunii cu gropi și fisuri. Calitatea contine 2-3% molibden care a demonstrat rezistenta la atacul clorului peste otel inoxidabil 304. Există, de asemenea, o relație mai puțin frecvent recunoscută, dar practic importantă între grosimea peretelui învelișului și timpul necesar pentru ca coroziunea crevioasă să treacă prin peretele tubului și pentru ca fluidul de proces să pătrundă în tub. Pereții mai subțiri nu sunt întotdeauna mai puțin rezistenți la debutul coroziunii, dar odată ce coroziunea localizată este inițiată, durata de viață rămasă este direct proporțională cu grosimea peretelui rămasă. Această lucrare cuantifică interacțiunea dintre grosimea peretelui de 316 înveliș, ratele de propagare a coroziunii în crăpături și fereastra de funcționare sigură în medii agresive cu clorură, oferind o bază rațională pentru specificarea grosimii minime a peretelui pe baza duratei de viață așteptate, mai degrabă decât recomandările generice de materiale.

Mecanismul de coroziune a fisurilor în manta din oțel inoxidabil 316
Învelișurile de încălzire din oțel inoxidabil 316 sunt supuse coroziunii în crăpături la discontinuități geometrice în care sunt prezente condiții de stagnare a soluției. Locațiile obișnuite pentru crăpăturile includ interfața dintre manta și garnitura flanșei de montare, zona de conectare filetată, sub pelicule depuse de sol sau de biofouling și la punctul de contact dintre încălzitor și consolele de susținere. Mecanismul rulează ca o secvență clasică. Difuzia oxigenului din soluția în vrac nu este suficient de rapidă pentru a reumple oxigenul din crăpătură, deoarece este epuizat de reacțiile de coroziune. În interiorul crăpăturii, suprafața este anodică în comparație cu exteriorul. Ionii de clorură difuzează în crăpătură pentru a menține neutralitatea sarcinii, iar hidroliza clorurii metalice are ca rezultat formarea acidului clorhidric și o scădere locală a pH-ului la valori de până la 2-3. Un proces autocatalitic care se accelerează pe măsură ce trece. Temperatura critică în fisuri în soluția de clorură de sodiu 1% pentru oțelul inoxidabil 316 este cu aproximativ 15-20 de grade sub temperatura critică de pitting. În practică, o teacă 316 capabilă să reziste la stropirea în apa de mare la 50 de grade va avea în continuare coroziune în crăpături la punctele de montare dacă este proiectată cu goluri strânse, stagnante. Viteza de propagare a unui loc de coroziune stabilit prin peretele învelișului este de ordinul a 0,5 – 2,0 mm/an în soluții de clorură calde, în funcție de concentrația de clorură, temperatură, pH și prezența agenților oxidanți. Rata de propagare este practic independentă de grosimea inițială a peretelui-dar timpul până la perforare variază direct în funcție de grosime.

Relația cantitativă între grosimea peretelui și timpul de perforare
Durata de viață în siguranță a unei mantale de 316 înainte de perforare pentru un set dat de circumstanțe ale procesului și o rată fixă ​​de propagare a crăpăturilor este aproximativ egală cu grosimea inițială a peretelui împărțită la rata de propagare. Această relație presupune că inițierea a avut loc deja și este ipoteza de proiectare prudentă pentru serviciul agresiv de clorură. Luați o teacă 316, grosimea peretelui de 1,0 mm, în apă de mare la 60 de grade, cu o rată determinată de propagare a coroziunii în fisuri de 0,8 mm/an. Timpul de inițiere a fisurii la perforare este de aproximativ 1,25 ani. În comparație, același încălzitor cu grosimea peretelui de 2,0 mm ar supraviețui cu 2,5 ani înainte de perforare - dublează durata de viață sigură. Pentru o teacă de 2,5 mm timpul crește la 3,1 ani. Această legătură liniară este confirmată de datele de eșec din câmp de la uzinele chimice de coastă. O analiză a 316 încălzitoare cu imersie încapsulate în sisteme de răcire cu apă salmară la 50-70C a constatat că primele defecțiuni de perforare au avut loc pe unități cu grosimea peretelui de 1,2 mm după o medie de 14 luni de funcționare. Unitățile de la același producător, cu aceeași chimie a apei, dar cu o grosime a peretelui de 1,8 mm au durat în medie 26 de luni până la prima defecțiune. Unitățile cu grosimea peretelui de 2,5 mm, care sunt în mod normal necesare pentru o presiune mai mare, au durat în medie 38 de luni. Foarte important, toate defecțiunile au avut loc la locațiile interfeței-flanșelor și a contactelor de asistență și nu pe suprafața tubului liber. Relația liniară dintre grosime și durata de viață a fost păstrată în mod remarcabil, demonstrând că, odată ce coroziunea în crăpătură a fost inițiată, grosimea peretelui controla direct timpul în care încălzitorul a rămas etanș.

Efectele termice ale pereților mai groși în serviciul coroziv
Beneficiul de coroziune al pereților mai groși trebuie să fie echilibrat cu penalizarea termică prezentată mai devreme în această serie. O manta de 2,5 mm de 316 are o rezistenta termica cu aproximativ 60% mai mare decat o manta de 1,2 mm cu acelasi diametru exterior. Pentru a asigura aceeași viteză de încălzire a procesului, un încălzitor cu o manta mai groasă trebuie fie să fie funcționat la temperaturi interne mai ridicate ale firului, fie să fie fizic mai lung pentru a oferi o suprafață mai mare la aceeași densitate de wați. Ambele sunt consecințe. Creșterea temperaturii firului are ca rezultat oxidarea firului de rezistență și deteriorarea izolației cu oxid de magneziu. Durata de viață a întregului încălzitor poate fi limitată mai degrabă electric decât de considerente de coroziune. În recipientele în care există puțin spațiu sau există pătrunderi existente prin duză, extinderea încălzitorului poate să nu fie practică. Răspunsul practic este de a înțelege că în serviciul cu cloruri extrem de corozive, durata de penetrare a coroziunii este adesea restricția de control. În multe circumstanțe, peretele mai gros nu se datorează conservatorismului, ci cerinței pentru o durată de viață minimă acceptabilă de doi până la cinci ani între înlocuiri. Dezavantajul eficienței termice este recunoscut ca un preț pentru fiabilitate.

Matrice de selecție a grosimii peretelui pentru funcționarea clorură în funcție de durata de viață necesară
Următorul tabel arată grosimea minimă recomandată a peretelui învelișului de 316 pentru încălzitoarele cu imersie în fluide industriale care conțin clorură-. Valorile se bazează pe funcționarea continuă, disponibilitatea locurilor de crăpătură (flanșe, filete sau suporturi) și un obiectiv de cel puțin 2 ani de funcționare etanșă la scurgeri- înainte ca riscul de perforare să devină considerabil. Pereții mai subțiri pot fi permisi pentru aplicații în care nu există locuri de fisuri (de exemplu, un tub neted, fără sudură, atârnat de partea superioară a unui rezervor, fără puncte de contact). Cu toate acestea, astfel de modele sunt rare în practică.

Concentrația clorurii și temperatura procesului, măsurată sau estimată, rata de propagare a crăpăturii Minim 316 Grosimea peretelui învelișului pentru o durată de viață de 2 ani. Grosimea peretelui învelișului minim 316 pentru o durată de viață de 4 ani Densitatea recomandată în wați Reducerea apei de mare (19.000 ppm grade Cl. mm/an 1,2 mm 2,0 mm 10% din standard
Apă de mare (19.000 ppm Cl⁻), 50-70 grade 0.8 - 1.2 mm/an 2,0 mm 3,0 mm (luați în considerare Incoloy 825) 20% față de standard
Apa salmastra (5.000 ppm Cl⁻), 40–60 grade 0,3 – 0,5 mm/an 1,0 mm 1,6 mm Nu este necesar
Saramură diluată (1.000 până la 3.000 ppm Cl⁻), 80-95 grade 0.6 - 1.0 mm/an 1,6 mm 2,5 mm 15% față de standard
Apa turn de racire (500 ppm Cl⁻, oxigen ridicat), 30–50 grade 0,2 – 0,3 mm/an 0,8 mm 1,2 mm Nu este necesar
Procedură chimică (soluție de NaCl 10%), 90-100 grade 1,5 – 2,0 mm/an 3,0 mm (aliaj nu este recomandat cu schimbarea)316 25% reducere de rating consideră că modernizarea aliajului nu este fezabilă
Acest tabel presupune existența unor locații care nu pot fi îndepărtate prin proiectare. Pentru o durată de viață mai mare de patru ani, oțelul inoxidabil 316 este marginal, independent de grosimea peretelui, în condiții calde de-clorură ridicată. În unele împrejurări, trecerea la un aliaj mai înalt precum Incoloy 825 (42% nichel, 21% crom, 3% molibden) sau titan oferă o rezistență intrinsec superioară la coroziune, dar la un cost mai mare al materialului. În plus, aceste aliaje alternative au adesea o rată de propagare cu ordine de mărime mai mică și astfel grosimea peretelui poate fi redusă.

Schimbări de proiectare pentru a minimiza riscul de coroziune a fisurilor fără creșterea grosimii peretelui
Inginerii ar trebui să se uite inițial la modificările de proiectare care reduc probabilitatea apariției unei fisuri înainte de a accepta penalizarea termică a unui perete mai gros. Cel mai bun lucru de făcut este să scapi cu totul de crăpăturile. Un încălzitor pe o manta netedă nefiletă 316, cu o flanșă de montare sudată și fără interfață cu garnitură sau contact cu suporturi poate avea o viață mult mai lungă decât un perete mai subțire cu crăpături. Sudurile cu penetrare completă la nivel de suprafață, evitând suprapunerea suprafețelor metalice. Utilizarea materialelor de garnitură ne-absorbante, cum ar fi PTFE expandat, poate reduce severitatea crăpăturilor. O altă modalitate este utilizarea protecției catodice. Lipirea unui anod sacrificial de zinc sau aluminiu la flanșa de montare a încălzitorului poate muta potențialul mantalei 316 într-un interval în care inițierea coroziunii în fisuri este redusă. Testele pe teren ale sistemelor de răcire cu apă sărată au arătat că tecile de 1,6 mm 316 ecranate catodic au o speranță de viață egală cu teaca de 2,5 mm fără protecție. O a treia modalitate este curățarea chimică periodică pentru a elimina depunerile de încrustare biologică și depunerile de calcar care formează locații de fisuri. Chiar și o spălare anuală a apei sau un tratament cu biocid poate minimiza foarte mult perioada de condiții de crăpătură pe suprafața tecii.

Concluzie: Specificația grosimii tecii ca instrument de gestionare a duratei de viață a coroziunii 316
Grosimea peretelui este de două-mai importantă atunci când inginerii aleg elemente de încălzire electrice împachetate din oțel inoxidabil 316 pentru fluidele de proces care conțin cloruri. Oferă rezistență mecanică și reținere a presiunii, așa cum am menționat în secțiunile anterioare. Cu toate acestea, funcționează și ca un permis de coroziune, o rezervă de material pentru durata de viață a încălzitorului în ceea ce privește etanșeitatea la scurgeri-după inițierea coroziunii în crăpături. Ritmul de propagare al atacului de fisuri în cloruri calde este foarte previzibil, de la 0,5 până la 1,5 mm în fiecare an, în funcție de condiții. Prin urmare, grosimea minimă a peretelui este direct determinată de durata de viață dorită. Un încălzitor care ar trebui să reziste doi ani în apă de mare de 60 de grade are nevoie de o grosime a peretelui de cel puțin 1,6-2,0 mm. Un încălzitor poate fi destul de satisfăcător cu 1,0 mm și poate dura șase luni. Alegerea tehnică nu este dacă 316 este „potrivit” pentru serviciul cu clorură în absolut-, ci se potrivește grosimea peretelui cu intervalul de înlocuire necesar. Inginerii ar trebui să informeze furnizorul cu privire la conținutul de clorură estimat, temperatura de funcționare și durata de viață țintă atunci când specifică încălzitoarele pentru funcționare corozivă. Prin urmare, furnizorul poate recomanda o grosime a peretelui care echilibrează durata de viață la coroziune și performanța termică, evitând defecțiunile premature ale perforației și penalizarea termică inutilă a grosimii supraspecificate. Dacă vă uitați la o durată de viață mai mare de patru ani în cloruri calde, sfatul tehnic sincer este să schimbați aliajul în loc să extindeți grosimea peretelui cu 316 peste 2,5 mm, deoarece penalitățile termice și de cost devin prohibitive.