При каком конкретном сочетании концентрации растворенного кислорода в питательной воде и pH оболочка нагревателя из нержавеющей стали 316 подвергается -ускоренной коррозии (FAC) при 200 градусах в высокоскоростной-питательной воде котла

Растворение пассивной пленки в чистой высокотемпературной воде

The high velocity boiler feedwater systems operating at 200°C (typical for high-pressure boiler economisers or feedwater heaters) can be a problem for 316 stainless steel sheathed electric heating tubes due to flow-accelerated corrosion (FAC), which is thought to be immune to this phenomenon (which occurs mainly in carbon and low-alloy steels). The FAC of 316 is different from the traditional FAC of magnetite (Fe3O4) layers on carbon steel where it is a direct dissolution of passive film by the combined impacts of high flow velocity, high temperature and unique water chemistry. The passive film on 316 dissolves at 200°C, when the dissolved oxygen is less than 5 ppb (deaerated) and the pH is greater than 9.5 or less than 6.5. Under such conditions wall thinning rates of 0.1-0.5 mm/year have been seen in high velocity zones (>5 м/с). В этой статье оцениваются пороговые значения растворенного кислорода и pH для инициирования FAC на 316 оболочках при температуре 200 градусов.

Механизм растворимости пассивных пленок при высоких температурах

В воде с высокой-температурой (200 градусов) пассивная пленка на 316 представляет собой двойной слой оксида хрома (Cr₂O₃) и железохромовой шпинели (FeCr₂O₄). Эти оксиды очень чувствительны к pH и растворимости кислорода. При деаэрации (DO<5 ppb) the corrosion potential is in the active or passive-transition area where the passive film is less stable . At high pH (>9.5) оксид хрома растворяют в виде хромита (CrO 2-) или хромата (CrO 4 2-). При низком pH (<6.0) the film dissolves into Cr3+ ions. High flow velocity (>3-5 м/с) постоянно удаляет растворенные вещества, предотвращает репассивацию и поддерживает высокую скорость растворения. Энергия активации FAC 316 составляет около 40-60 кДж/моль, т.е. скорость коррозии удваивается каждые 15-25 градусов выше 150 градусов.

Количественные пороговые значения FAC: 316 при 200 градусах в воде с высокой- скоростью.

Ниже показаны скорости коррозии и поведение утончения стенок нержавеющей стали 316 при испытании в контролируемом контуре при температуре 200 градусов с изменениями растворенного кислорода, pH и скорости потока.

Растворенный кислород (части на миллиард) pH при 200 градусах Скорость потока (м/с) Растворимость доминирующего оксида Скорость FAC (мм/год) Время до потери стенки 0,5 мм (часы) Рекомендуется для эксплуатации при 200 градусах<5 (deaerated) 6.5-7.5 Any Minimal <0.02 >25 000 Да<5 7.5-8.5 <3 Minimal <0.02 >25 000 Да<5 7.5-8.5 3-5 Slight 0.02-0.05 10,000-25,000 Acceptable <5 8.5-9.5 3-5 Cr(OH)3 solubility 0.05-0.15 3,500-10,000 Not recommended <5 9.5-10.5 >3 Растворение хромита 0.15-0.40 1,250-3500 Недопустимо<5 >10.5 Any Rapid chromite >0.40 <1,250 Unacceptable <5 5.5-6.5 >3 Cr3+ растворимость 0.10-0.30 1,700–5000 Неприемлемо<5 <5.5 Any Rapid Cr3+ >0.30 <1,700 Unacceptable
5-20 (low) 8.5-9.5 >3 Пониженная растворимость 0.03-0.08 6,000–17,000 Предел
20-100 (moderate) 8.5-9.5 >5 Пассивная пленка, стабилизированная<0.02 >25,000 Yes 20-100 9.5-10.5 >5 Some stabilization 0.02-0.05 10,000-25,000 Acceptable >100Любой Любой Полностью пассивный<0.02 >25 000 Да
FAC 316 очень зависит от скорости потока.

Скорость потока является масштабным коэффициентом, который преобразует растворимость пассивной пленки в измеренное истончение стенок. В таблице ниже представлена ​​зависимость скорости при 200°С, деаэрированных условиях, рН 9,2 (предельная зона).

Скорость потока (м/с) Напряжение сдвига стенки (Па, расчетное) Скорость FAC при DO<5 ppb, pH 9.2 (mm/yr)Time to 50% of Original 1.5 mm Wall Loss(hours) Recommended Maximum Velocity for 10-Year Life <1 <10 <0.01 >75,000 Safe 1-2 10-20 0.01-0.03 25,000-75,000 Safe 2-3 20-35 0.03-0.06 12,500-25,000 Acceptable 3-5 35-60 0.06-0.12 6,000-12,500 Marginal (monitor) 5-8 60-100 0.12-0.20 3,750-6,000Not recommended 8-12 100-150 0.20-0.35 2,000-3,750 Unacceptable >12 >150 >0.35 <2,000 Not acceptable
Технические характеристики конструкции и практический водно-химический режим подогревателей питательной воды при 200 градусах

316 закрытых нагревателей при температуре 200 градусов в высокоскоростной питательной воде котла защищены от коррозии, ускоряемой потоком, с помощью следующих требований.

Тип питательной воды Целевое содержание растворенного кислорода (частей на миллиард) Рекомендуемый pH, 200 градусов Максимальная скорость потока в оболочке (м/с) Ожидаемый срок службы нагревателя (лет)
Полностью летучая терапия (AVT) - снижение 2-5 8.0-8.5 3.0 8-10
Очистка всех-летучих веществ (AVT) - окислительная 50-100 8.0-8.5 5.0 10-15
Oxygenated therapy (OT) 100-300 8.0-8.5 6.0 >15 
Обработка фосфатами 5-20 8.5-9.0 3.0 5-8 (монитор)
Any treatment with pH >9.5 N/A >9.5 <2.0 5-10 (316 marginal)
Идентификация FAC на оболочках нагревателей 316

The FAC on a 316 heater will produce unique surface features that are different from conventional corrosion mechanisms in high temperature, high velocity feedwater. The surface is smooth, polished or "orange-peel" in appearance with no pitting or scale. The wall thinning is homogeneous at the high velocity zones (e.g. pipe entry, directly facing the flow). The thinning is often a steady drop of outside diameter throughout the heater length. Scanning electron microscopy (SEM) shows a smooth, featureless surface, with no attack at the grain boundaries. Water chemistry log will show pH >9,5 или<6.0 and dissolved oxygen <5-20 ppb for prolonged durations. For such failures the answer is to adjust water chemistry to keep pH in the 8.0-8.5 range, and dissolved oxygen >20–50 частей на миллиард (если это совместимо со всей системой) или для ограничения скорости потока путем размещения нагревателя в байпасном или успокоительном колодце. Восприимчивость к FAC можно устранить, перейдя на титан или сплав 825.

Резюме: Химический состав питательной воды и управление скоростью для предотвращения FAC

Ускоренная коррозия нагревателей в корпусе из нержавеющей стали 316 в питательной воде котла при температуре 200 градусов происходит в деаэрированных условиях (DO<5-10 ppb) in combination with alkaline pH >9,5 или кислый pH<6.0 and flow velocities >3-5 m/sec. Under these conditions, the passive film is dissolved as chromite or chromium ions, resulting in wall thinning rates of 0.1-0.5 mm/year. For high temperature feedwater service with 316 sheaths, engineers should stipulate pH of 8.0-9.0, dissolved oxygen >20 ppb (ideally 50-100 ppb) and a flow velocity below 3-4 m/s at the sheath surface. If high velocity (>5 m/s) cannot be avoided, oxidising water treatment (oxygenated treatment, OT) with DO >100 частей на миллиард стабилизируют пассивную пленку и позволяют избежать FAC. Приведенная здесь методология связывает растворенный кислород, pH и скорость потока с измеряемыми скоростями FAC при 200 градусах и позволяет покупателю определить химический состав воды и гидравлические параметры, которые будут поддерживать пассивную пленку на 316 оболочках нагревателя при работе с питательной водой котла на высокой скорости.