При каком конкретном сочетании pH и индекса насыщения в оболочке нагревателя из нержавеющей стали 316 образуется накипь карбоната кальция, которая вызывает коррозию под-отложениями при 90 градусах

Порог масштабирования от защитного до коррозионного

For 316 stainless steel encased electric heating tubes immersed in hard water at 90°C, the precipitation of calcium carbonate scale on the sheath surface is not a simple thermal insulation problem-it can also lead to localised corrosion referred to as under-deposit corrosion (UDC). At high supersaturation (Langelier Saturation Index, LSI, between 0.5 and 1.5), the scale layer is thin (20-100 µm) and porous, so that corrosive species (chlorides, oxygen) can reach the metal surface below the scale, generating a differential aeration cell that speeds up pitting. At high supersaturation (LSI >2.0) scale is thick (>200 мкм) и постоянное полное прекращение движения кислорода и образование высококоррозионного застойного слоя. Ни одна шкала не формируется ниже LSI 0,5, а значение 316 является пассивным. Ключевой комбинацией для УДК является pH от 7,5 до 8,5 (при котором бикарбонатное -карбонатное равновесие благоприятствует масштабному производству) и LSI от 0,8 до 1,8. В этой статье рассчитываются пороговые значения pH-LSI для коррозии под-нагаром на оболочках 316 при 90 градусах.

Механизм коррозии под-отложениями

Когда на нержавеющей стали 316 в горячей воде образуется пористая накипь карбоната кальция, металл под накипью испытывает кислородное голодание, поскольку прохождение кислорода через окалину и неподвижный слой происходит медленно. Части без окалины (если таковые имеются) или области непосредственно за пределами окалины полностью насыщены кислородом, образуя ячейку дифференциальной аэрации, при этом лишенный кислорода металл под окалиной является анодом, а богатый кислородом голый металл - катодом. Ионы хлорида перетекают в анодную область, чтобы сохранить нейтральность заряда, а низкий уровень pH в результате гидролиза металла под накипью препятствует репассивации. Скорость коррозии может достигать 0,5-2 мм в год, что сравнимо со скоростью активной коррозии в кислоте. Саму окалину можно оставить, но металл под ней растворяется, образуя полость, перфорирующую ножны.

Количественные пороговые значения коррозии под-нагаром при 90 градусах

Комбинации pH-LSI, вызывающие коррозию под отложениями, в течение 1000 часов были определены для 316 оболочек (Ra=0.4 мкм) в синтетической жесткой воде (300 частей на миллион жесткости CaCO3, 200 частей на миллион щелочности, 200 частей на миллион Cl-, pH скорректирован, 90 градусов, тепловой поток 5 Вт/см2).

Индекс насыщения Ланжелье (LSI) pH при 90 градусах (расчетный) Толщина окалины (через 1000 часов) (микрон) Пористость окалины (%) Скорость коррозии отложений ниже - (мм/год) Время до перфорации (стенка 1,5 мм) Рекомендуется<0 (undersaturated) <7.0 No scale N/A 0.02 (no UDC) >75 лет Да 0-0.5 7.0-7.5 0-20 Н/Д 0.02-0.05 30-75 лет Да
0.5-0.8 7.5-7.8 10-30 30-50% 0.05-0.10 15-30 лет Приемлемо
От 0,8 до 1.2 7.8 до 8.1 20 до 50 20 до 30 % От 0,10 до 0.25 6 до 15 лет Маргинальный 1.2-1.5 8.1-8.4 30-80 10-20 % 0.25-0.50 3-6 лет Не рекомендуется
1.5-1.8 8.4-8.7 50-120 5-10% 0.50-1.00 1.5-3 лет Неприемлемо
1.8-2.0 8.7-8.9 80-150 <5% 0.20-0.40 (protective scale) 4-8 years (limited UDC) Transition2.0 >8.9 >150 <3% (dense) <0.05 (sealed, no UDC) >30 лет (но риск перегрева) риск перегрева, не УДК
Влияние хлорида на интенсивность под-коррозии

УДК существенно ускоряется при повышении концентрации хлоридов. Влияние хлорида на критический порог LSI для УДК при 90 градусах видно в таблице ниже.

Концентрация хлоридов (ppm) Порог LSI для запуска UDC (срок службы 5 лет) Предпочтительный Максимальный LSI для срока службы 5 лет Рекомендуемое действие<50 >1.5 1.8 Scale inhibitor acceptable 50-100 >1.2 1.5 Scale inhibitor preferred 100-200 >1.0 1.2 Требуется смягчающее средство или ингибитор
200-500 >0.8 1.0 Water softening strongly recommended >500 >0.5 0.8 Требуется смягчение; рассмотрение возможности обновления
Практические характеристики водно-химического режима для профилактики УДК

Во избежание коррозии под-отложениями рекомендуются следующие критерии водно-химического режима для 316 защитных нагревателей при 90 градусах:

Langelier Saturation Index (LSI): keep below 1.0 (goal 0.5-0.8) if chloride is >200 частей на миллион; держите значение ниже 1,2, если содержание хлорида составляет 100–200 частей на миллион; держите ниже 1,5, если хлорид<100 ppm

pH при 90C: Поддерживайте 7.0 - 7.8 (более низкий pH=меньше накипи, больше опасности общей коррозии. Более высокий pH=больше накипи, больше риска УДК)

Щелочность: менее 200 частей на миллион в пересчете на CaCO3, чтобы снизить вероятность образования накипи.

Ингибитор накипи – добавьте 2–5 ppm фосфоната или полиакрилата, если LSI > 1,0.

В разделе-Полевая диагностика коррозии отложений

УДК под накипью карбоната кальция приводит к образованию типичных полусферических полостей на поверхности чехла, обычно диаметром 2–10 мм, при этом накипь все еще прикреплена или частично удалена. При удалении окалины обнажаются блестящие, блестящие, изъеденные поверхности металла, а не тусклая, шелушащаяся поверхность. Ямки часто имеют подрезанные края там, где коррозия переместилась вбок под окалину. В случае образования накипи-при неисправных нагревателях, но при отсутствии признаков точечной коррозии на участках,-отсутствующих накипи, следует рассмотреть возможность применения УДК. Анализ окалины методом рентгеновской дифракции - обычно показывает кальцит или арагонит (CaCO₃), иногда в сочетании с продуктами коррозии (Fe₂O₃, Fe₃O₄). Ответ заключается в том, чтобы свести к минимуму LSI (путем снижения pH или умягчения воды) или добавить ингибитор отложений, который изменит форму кристаллов на не-неприлипающие отложения.

Вывод: управление LSI и pH во избежание коррозии под-отложениями

Нагреватели в корпусе из нержавеющей стали 316, работающие в воде с жесткостью 90 градусов. Формирование пористой накипи карбоната кальция, которая образует ячейки дифференциальной аэрации, происходит, когда индекс насыщения Ланжелье (LSI) находится в диапазоне от 0,8 до 1,8, а pH составляет от 7,5 до 8.5 .. При значении LSI 1,8 накипь становится плотной и защищает от УДК (хотя перегрев может быть проблемой). При LSI < 0,8 УДК не инициируется созданием масштаба. LSI необходимо рассчитывать при рабочей температуре. Инженеры по обслуживанию жесткой воды, которые указывают оболочки 316, должны поддерживать LSI ниже 1,0, когда содержание хлоридов превышает 200 частей на миллион, или включать ингибиторы накипи, которые влияют на морфологию накипи. Приведенная здесь методология обеспечивает связь между pH, LSI и измеримыми показателями УДК, что позволяет клиентам выбирать химический состав воды, который предотвратит локальную коррозию, -вызванную накипью.