При каком конкретном сочетании концентрации хлоридов и температуры поверхности оболочки оболочка из нержавеющей стали 316 толщиной 1,6 мм переходит от пассивной к активной питтинговой коррозии при обогреве резервуара для хранения в атмосфере?

Для инженера-технолога, отвечающего за электрические погружные нагреватели в атмосферных резервуарах-хранилищах, содержащих растворы, содержащие хлориды, такие как пластовая вода, сточные воды опреснителей и промышленная промывная вода, разница между пассивной и активной точечной коррозией аналогична разнице между оболочкой из нержавеющей стали 316, которая прослужит десять лет или десять недель. Однако в резервуарах для хранения воздуха условия статичны или медленно перемещаются с изменяющимися концентрациями хлоридов из-за испарения и расслоения, тогда как в системах с непрерывным потоком свежий раствор постоянно контактирует с оболочкой. Типичная толщина стенки составляет 1,6 мм. Это компромисс между механической прочностью и практичной теплопередачей. Критическая температура питтинга и критическая концентрация хлоридов для 316 не являются статическими числами, а взаимодействуют с повышением температуры поверхности оболочки, вызванным приложенной плотностью ватт. В данной статье представлены концентрация хлоридов и температура поверхности оболочки, при которых стенка толщиной 1,6 мм переходит из пассивного состояния (скорость коррозии<0.05 mm/year) to active pitting (penetration within months).

Критическая питтинговая температура и взаимодействие с хлоридом
Критическая температура питтинговой коррозии нержавеющей стали 316 при заданной концентрации хлоридов — это температура, при которой стабильные питтинговые язвы могут зарождаться и расти. Ниже этой температуры пассивная пленка остается неповрежденной, а скорость коррозии незначительна. Это обратная зависимость. Чем выше концентрация хлоридов, тем ниже критическая температура питтинговой коррозии. Критическая температура питтинговой коррозии составляет около 80°C при концентрации хлорида 100 ppm. В 1000 ppm хлорида она снижается до 55 градусов. При концентрации хлорида 5000 ppm она падает до 35 C. При концентрации хлорида 10 000 ppm (1% NaCl) критическая температура питтинговой коррозии составляет около 25 градусов. Тепловой поток от погружных нагревателей приводит к тому, что температура поверхности оболочки на 15-40 градусов превышает температуру резервуара. Температура поверхности оболочки резервуара при 40 градусах с нагревателем мощностью 8 Вт/см² может составлять 60–70 градусов. Если концентрация хлоридов в резервуаре составляет 1000 частей на миллион, критическая температура питтинга 55 градусов будет превышена, и появление питтинга произойдет в течение нескольких недель. Время перфорации после начала точечной коррозии определяется толщиной стенки 1,6 мм, что при типичной скорости распространения 0,5–2,0 мм в месяц означает разрушение через 1–3 месяца.

Критические переходные пороги оболочки 1,6 мм
Испытания погружением на 316 образцах с полировкой поверхности, характерной для обжатых оболочек нагревателя, выявили следующие пороги перехода для стенки толщиной 1,6 мм при плотности ватт 6-10 Вт/см2. Ожидается, что температура резервуара будет на 10–20 градусов ниже температуры поверхности оболочки.

Концентрация хлоридов (ppm) Критическая температура питтинга для 316 (градусов) Минимальная температура поверхности оболочки для перехода от пассивного-к-активного режима Безопасная температура резервуара для оболочки толщиной 1,6 мм при 8 Вт/см2 Срок службы выше ожидаемого Переходный период
< 100 ppm < 80°C 80°C < 65°C 5-10 years 100 - 500 ppm 65 - 80°C 65 - 80°C < 50 - 65°C 2-5 years 500 - 1,000 ppm 55 - 65°C 55 - 65°C < 40 - 50°C 1-2 years 1,000 - 2,000 ppm 45 - 55°C 45 - 55°C < 30 - 40°C 6-12 months 2,000 - 5,000 ppm 35 - 45°C 35 - 45°C < 20 - 30°C 3-6 months 5,000 - 10,000 ppm 25 - 35°C 25 - 35°C < 10 - 20°C 1-3 months
>10 000 частей на миллион< 25 °CBelow 25 degrees CNot safe regardless of temperature Weeks to months
Для резервуара-хранилища с объемной температурой 50 градусов C и толщиной оболочки 1,6 мм при 8 Вт/см 2 температура поверхности оболочки составляет около 65-70 градусов C. Концентрация хлоридов должна быть менее 500 частей на миллион, чтобы оставаться выше критической температуры точечной коррозии. Активное изъязвление начнется через несколько недель при критическом уровне 55 градусов при уровне хлоридов 1000 частей на миллион и температуре поверхности. Если содержание хлоридов в резервуаре превышает 2000 частей на миллион, 316 не подходит ни при какой практической объемной температуре, поскольку температура поверхности оболочки, необходимая для создания даже небольшого теплового потока, будет превышать критическую температуру образования язв.

Таблица безопасных рабочих диапазонов для курток толщиной 1,6 мм
В таблице ниже указана максимальная безопасная температура резервуара для сыпучих материалов для оболочки из 316 толщиной 1,6 мм при различной плотности мощности и концентрации хлоридов. Эти значения гарантируют, что температура поверхности оболочки будет как минимум на 5 градусов ниже критической температуры питтинговой коррозии для данной концентрации хлоридов.

Концентрация хлоридов (ppm) ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ Оболочки ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ Оболочки ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ Оболочки (5 Вт/см2) (8 Вт/см2) Максимально безопасный Максимально безопасный Максимально безопасныйМаксимально безопасная объемная температура 12 Вт/см²
Ниже 100 ppm 75 градусов 65 градусов 60 градусов 50 градусов 100 – 250 ppm 70 градусов 60 градусов 55 градусов 45 градусов 250 – 500 ppm 65 градусов 55 градусов 50 градусов 40 градусов 500 – 750 ppm 60 градусов 50 градусов 45 градусов 35 градусов 750 – 1000 ppm 55 градусов 45 градусов 40 градусов 30 градусов 1000–1500 частей на миллион 50 градусов 40 градусов 35 градусов 25 градусов 1500–2000 частей на миллион 45 градусов 35 градусов 30 градусов 20 градусов
2000 ppmНебезопасно Небезопасно Небезопасно Небезопасно
Если рассчитанная температура поверхности оболочки превышает критическую температуру точечной коррозии для заявленного содержания хлоридов, то разрушение точечной коррозии неизбежно для любого применения. Толщина стенки 1,6 мм действительно обеспечивает некоторое время распространения, однако следует рассматривать нагреватель как имеющий конечный, предсказуемый срок службы в месяцах, а не в годах.

Изменения в конструкции, чтобы избежать питтингового перехода
На границе перехода от пассивного к активному режиму процесса можно реализовать три модификации конструкции, чтобы избежать точечной коррозии без изменения материала оболочки или толщины стенки. Во-первых, снизить плотность мощности. При снижении температуры поверхности оболочки на 15–25 градусов при 5 Вт/см² вместо 10 Вт/см² активный режим может смениться на пассивный. Второе изменение заключается в усилении кровообращения по всей поверхности ножен. Крошечная мешалка или циркуляционный насос могут снизить повышение температуры поверхности оболочки на 40-60 %, удерживая оболочку ниже критического порога даже при умеренной плотности ватт. Следующее изменение заключается в прикреплении датчика контроля коррозии, крошечного купона 316, электрически соединенного с оболочкой нагревателя. Резкое увеличение гальванического тока означает начало активного питтинга и дает раннее предупреждение о пробитии оболочки. Если концентрация хлоридов в резервуаре изменяется из-за испарения или смены партий, инженерам следует выбрать сталь 316L с более высоким эквивалентным числом сопротивления точечной коррозии и рассмотреть возможность перехода на нержавеющую сталь 317 (3,5 % молибдена) или сплав 825 для обеспечения надежной долгосрочной службы. Дополнительные затраты на более стойкий сплав обычно меньше, чем стоимость единичного питтингового повреждения резервуара для хранения, включая загрязнение продукта, слив воды из резервуара и замену нагревателя. • При выборе нагревателей для резервуаров-хранилищ, содержащих хлориды, всегда измеряйте фактическую концентрацию хлоридов при прогнозируемой рабочей температуре. Рассчитайте температуру поверхности оболочки при рекомендованной плотности в ваттах. Для длительного использования с оболочкой из стали 316 толщиной 1,6 мм рекомендуется поддерживать буфер безопасности как минимум на 10 градусов ниже критической температуры точечной коррозии.