Какая критическая ширина щели между оболочкой нагревателя из нержавеющей стали 316 и ее монтажным фланцем вызывает ускоренное точечное выкрашивание в 200 ppm хлоридной воды при 80 градусах

Геометрический предел истощения кислорода и местного закисления

Трещина между оболочкой и монтажным компонентом является наиболее чувствительным местом для локальной коррозии погружных нагревателей в корпусе из нержавеющей стали 316, установленных через фланцы или стенки резервуара. Когда щелевой зазор уменьшается до критической ширины, обычно от 0,1 мм до 0,5 мм, в зависимости от концентрации хлоридов и температуры, проникновение объемной воды ограничивается, и кислород из щели истощается. Впоследствии концентрация хлоридов увеличивается, а pH снижается, что приводит к ускорению точечной и щелевой коррозии. Оболочка из стали 316 с щелевым зазором менее 0,3 мм в хлоридной воде с концентрацией 200 ppm начнет щелевую коррозию через 6–12 месяцев при температуре 80 градусов, но идентичная оболочка с щелевым зазором более 0,5 мм останется пассивной в течение 5+ лет. В этой статье оценивается необходимая ширина щели для кожухов 316 при типичных условиях использования горячей воды и приводятся критерии проектирования для монтажа без щелей.

Электрохимический механизм инициирования щелевой коррозии

Щелевая коррозия нержавеющей стали 316 начинается, когда геометрия щели препятствует конвективному и диффузионному переносу кислорода из основного раствора на металлическую поверхность внутри трещины. Кислород потребляется катодными процессами (восстановление кислорода) внутри щели, и локальная концентрация кислорода снижается почти до нулевого уровня, пока основной раствор аэрируется. Эта разность потенциалов образует гальванический элемент. Внешние границы щели (с высоким содержанием кислорода) становятся катодом, а внутренняя часть щели (дезоксигенированная) становится анодом. Ионы хлорида притягиваются к щели, нейтрализуя заряд, достигая концентрации, в 10-100 раз превышающей концентрацию в объеме. Одновременный гидролиз растворенных ионов металлов (Fe 3+, Cr 3+) ​​создает ионы водорода и снижает локальный pH до 2-4. Влияние высокого содержания хлоридов и низкого pH на разрушение пассивной пленки на 316 было изучено с целью инициирования быстрого анодного растворения. Критическая ширина зазора — это наибольшая ширина зазора, при которой диффузия кислорода не может компенсировать потребление кислорода. В статических условиях или условиях низкого расхода этот критический зазор обычно составляет от 0,3 до 0,5 мм. Зазоры размером более 0,5 мм обеспечивают прохождение достаточного количества кислорода для поддержания пассивности. Если ширина зазоров менее 0,3 мм, они теряют кислород в течение нескольких часов или дней и подвергаются щелевой коррозии даже в воде с низким содержанием хлоридов.

Порог щелевой коррозии составляет 316 при температуре 80 градусов в концентрации хлорида 200 частей на миллион.

Систематические испытания щелеобразователей с регулируемой шириной зазора на листах нержавеющей стали 316, представляющих поверхность оболочки нагревателя, в аэрированной хлоридной воде с концентрацией 200 ppm при температуре 80 градусов определили решающий зазор в щели для начала щелевой коррозии. Испытания длились 12 месяцев, при этом агрегаты периодически разбирались и проверялись на предмет нападения. Результаты демонстрируют внезапное изменение ширины зазора с 0,4 мм до 0,5 мм. Щелевая коррозия началась во всех образцах на уровне 0,4 мм или ниже в течение 6 месяцев. Зазоры 0,5 мм и более не подвергались атакам в течение всех 12 месяцев. При экстраполяции на длительную эксплуатацию зазоры размером 0,5–0,8 мм могут начать разрушаться через 3–5 лет в присутствии агрессивного химического состава воды или термоциклирования, вызывающего эффекты концентрации. Подробные сроки начала щелевой коррозии для оболочек 316 приведены в таблице ниже в зависимости от ширины зазора, концентрации хлоридов и температуры.

Ширина щелевого зазора (мм) Концентрация хлоридов (ppm) Температура (градусы) Время до начала щелевой коррозии Время до перфорации (стенка 1,5 мм после начала) Рекомендуется для 5-летнего обслуживания<0.1 (tight contact) 200 80 <1 month 3-6 months No 0.1-0.2 200 80 1-3 months 3-6 monthsNo 0.2-0.3 200 80 3-6 months 6-12 months No
0.3-0.4 200 80 6-9 месяцев 9–18 месяцев Нет 0.4-0.5 200 80 9-12 месяцев 12–24 месяца Маргинальный уровень
0.5-0.7 200 80 >24 месяца (может не начаться) -Да (с обследованием)
0.7-1.0 200 80 >60 месяцев - Да1,0 (открытый зазор) 200 80 Нет щелевой коррозии - Да
0.5-0.7 500 80 6-12 months 12-18 months No 0.5-0.7 200 60 >60 месяцев Да
0.3-0.5 200 60 12-24 месяцев 24–36 месяцев Допустимо с контролем геометрических щелей в монтажных узлах нагревателя

Для фланцевых погружных нагревателей три частых конструктивных элемента приводят к образованию трещин с шириной зазора, которая часто ниже критического порога. Первый — это компрессионные фитинги или фланцы с прокладками, оболочка которых проходит через уплотнение из эластомера или ПТФЭ, которое прижимается к металлу. Контактное давление позволяет уменьшить зазор практически до нуля в местах контакта, при этом в зонах рядом с точками контакта еще могут оставаться зазоры 0,1-0,2 мм. Второй вид - приварные или резьбовые втулки, у которых оболочка вставлена ​​во фланцевый блок с зазором отверстия 0,2-0,3 мм. Этот зазор находится в критическом диапазоне щелей, но необходим для сборки. Третий — это окалина или мусор, которые скапливаются между оболочкой и плотно прилегающей трубной решеткой, превращая больший зазор в сеть докритических трещин. В новых конструкциях нагревателей предусмотрен минимальный зазор 1,0 мм (при использовании втулки с зазором 1,0-1,5 мм) для уменьшения возможности щелевой коррозии. Существующие конструкции, использующие сплошные фланцы, должны быть заменены открытыми опорными кронштейнами или зажимами, в которых оболочка соединяется в отдельных точках (трех- или четырехточечные контакты с открытыми зазорами в других местах), нарушая геометрию непрерывной щели.

Стратегии смягчения неизбежных критических пробелов

Если параметры конструкции требуют, чтобы щелевые зазоры были менее 0,5 мм, например, во фланцевых уплотнениях высокого давления, где требуются строгие допуски, для предотвращения щелевой коррозии используются три меры по смягчению последствий. Первым и наиболее успешным является применение полимерных или эластомерных прокладок, которые полностью препятствуют попаданию воды в трещину. Электролит не попадает в щель, и, следовательно, концентрация хлоридов и истощение кислорода предотвращаются за счет водонепроницаемого закрытия, обеспечиваемого сжатой прокладкой из ПТФЭ или ЭПДМ. Для этого метода требуется, чтобы материал прокладки был совместим с температурой жидкости (EPDM до 120 градусов, ПТФЭ до 250 градусов). Второй подход — выбрать более устойчивый к щелям-сплав только для оболочки в месте крепления, используя приваренную переходную деталь из сплава 625 или титана. Эти материалы имеют критические щелевые зазоры менее 0,1 мм, поэтому даже узкие зазоры не могут привести к разрушению. Третий вариант – катодная защита. Если оболочка нагревателя соединена с жертвенным цинковым или алюминиевым анодом, потенциал внутри щели может быть снижен ниже питтингового потенциала, но это требует тщательного проектирования, чтобы избежать водородного охрупчивания оболочки.

Идентификация щелевой коррозии на установленных нагревателях в полевых условиях

В процессе эксплуатации нагреватели будут проявлять щелевую коррозию на монтажном фланце в виде точечной коррозии или общих дефектов, непосредственно прилегающих к фланцу или прокладке, обычно на расстоянии от 1 до 5 мм от точки контакта. Атака обычно бывает самой глубокой, когда щель наименьшая. Если вы заглянете под разобранный фланец, то увидите, что корродированная область представляет собой темную полосу с ямками, на которой не видно яркого металла. Продукты коррозии обычно включают зеленые соли хлорида никеля. Если нагреватель находится в эксплуатации более 1-2 лет и вода содержит хлориды более 100 ppm, то следует заподозрить щелевую коррозию при каждом снятии фланцевого нагревателя по какой-либо причине. При замене новый нагреватель должен быть установлен либо с открытым зазором (зазор больше или равен 1,0 мм), либо с полностью герметичной прокладкой, не допускающей проникновения электролита.

Вывод: надежная работа без щелевой установки

Щелевая коррозия инициировалась в погружных нагревателях в корпусе из нержавеющей стали 316 в хлоридной воде с концентрацией 200 частей на миллион при температуре 80 градусов для ширины щелевого зазора менее 0,5 мм в течение 12 месяцев, а перфорация произошла в течение 24 месяцев. Если зазоры превышают 0,7 мм, устройство гарантирует 5+ лет безотказной работы. При выборе фланцевых нагревателей у вас есть три варианта: спроектировать крепление так, чтобы между оболочкой и любой прилегающей металлической поверхностью оставался зазор не менее 1,0 мм, использовать полностью герметизирующую прокладку, чтобы предотвратить попадание воды в область щели, или заменить материал оболочки более устойчивым к щелям-сплавом на границе раздела. Представленный здесь подход позволяет покупателям указать монтажную геометрию, которая позволяет избежать наиболее распространенной причины преждевременного выхода из строя фланцевых погружных нагревателей 316, работающих в горячей воде, содержащей хлориды-, путем соотнесения ширины щелевого зазора с поддающимися количественной оценке временными рамками для начала работы.