Unter welcher spezifischen Kombination aus Gehalt an gelöstem Sauerstoff und Strömungsgeschwindigkeit geht der Heizmantel aus Edelstahl 316 in Wasser mit hoher-Temperatur vom passiven Zustand in den Zustand der Erosions-Korrosion über

Mechanische Entfernung des Passivfilms als Fehlermechanismus

Erosion-Korrosion von elektrischen Heizrohren, die mit Edelstahl 316 ummantelt sind und in Hochtemperaturwasser (80-100 Grad) eingetaucht sind, das Schwebstoffe enthält, oder mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten betrieben werden. Abhängig von der Kombination aus gelöstem Sauerstoffgehalt und Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist der Passivfilm entweder intakt oder wird mechanisch durch Erosion-Korrosion entfernt. Die Passivschicht bildet sich genauso schnell neu, wie sie entfernt wird, und die Korrosionsraten liegen unterhalb der kritischen Schwellenwerte unter 0,05 mm pro Jahr. Oberhalb der kritischen Rate übersteigt die mechanische Entfernungsrate die Repassivierungsrate und der Metallverlust beschleunigt sich auf 1 bis 5 mm/Jahr, was ausreicht, um eine 1,5 mm dicke Wand in 3 bis 18 Monaten zu perforieren. Dieses Papier schätzt die Geschwindigkeitsschwellenwerte für gelösten Sauerstoff-für die Auslösung von Erosion und Korrosion an 316-Hüllen und stellt Ratschläge zur Fluiddynamik-Konstruktion für einen zuverlässigen Betrieb vor.

Mechanismus der elektrochemischen -mechanischen Kopplung

Die Erosionskorrosion von Edelstahl 316 in Wasser erfordert drei Dinge: eine Flüssigkeit, die über die Metalloberfläche fließt, um Scherspannung zu erzeugen, genügend gelösten Sauerstoff, um die kathodische Aktivität aufrechtzuerhalten, und entweder suspendierte Schleifpartikel oder Hochgeschwindigkeitsblasen, die den passiven Film mechanisch stören können. In sauberem Wasser mit hoher Geschwindigkeit und ohne Partikel kann der Passivfilm intakt bleiben, da die Scherkraft allein (bis zu 10–20 Pa) die Haftfestigkeit des Films nicht überschreitet. Bei etwa 2 ppm gelöstem Sauerstoff sinkt jedoch die Repassivierungsrate und selbst eine leichte Scherbeanspruchung kann eine stabile Filmbildung verhindern. Andererseits erfolgt die Repassivierung bei hohen Gehalten an gelöstem Sauerstoff (über 5 ppm) schnell und der Film kann höheren Geschwindigkeiten standhalten. Die schlechtesten Bedingungen herrschen bei mittleren Sauerstoffgehalten (0,5–2 ppm), wo die Repassivierung allmählich erfolgt, aber genügend kathodischer Strom vorhanden ist, um die anodische Auflösung an jeder blanken Metallstelle zu fördern.

Quantifizierte Erosion-Korrosionsschwellenwerte 316 bei 90 °C

Strömungsschleifen- und rotierende Zylinderelektrodentests mit 316-Edelstahlproben in 90-Grad-Wasser (pH 7,5, 100 ppm Chlorid) haben systematisch die Strömungsgeschwindigkeit und die Kombinationen von gelöstem Sauerstoff bestimmt, die zu Erosions-{4}Korrosionsraten von mehr als 0,1 mm pro Jahr führen.

Gelöster Sauerstoff (ppm) Strömungsgeschwindigkeit (m/s) Schwebstoffe (ppm, 50 µm Kieselsäure) Erosion-Korrosionsrate (mm/Jahr) |Zeit bis zur Perforation (1,5 mm Wand) Mechanismus empfohlen<0.05 >30 years Passive Yes >5 3-5 0 0.05-0.10 15-30 years Marginal Acceptable >5 5-8 0 0.10-0.25 6-15 years Transition Monitor >5 >8 0.25-0.50 3-6 Jahre Erosion-KorrosionNicht empfehlenswert
2-5 <2 0.05-0.10 15-30 yearsAcceptable Yes 2-5 2-4 0 0.10-0.20 7-15 years MarginalAcceptable on inspection
2-5 4-6 0.20-.40 4-7 Jahre Erosion-ÄtzendNicht langfristig empfohlen
1-2 <1 0 0.10-0.20 7-15 yr.Instability of passive filmAcceptable with low chloride
1-2 1-2 0 0.20-0.50 3-7 JahreGemischte Kontrolle Nicht empfohlen
0.5-1 <0.5 0 0.15-0.30 5-10 yearsLow oxygen corrosion Marginal 0.5-1 >0.5 0 0.30-1.00 1.5-5 Jahre Erosionskorrosion Inakzeptabel<0.5 Any 0 >0.50 <3 years Active corrosion (deaerated) Unacceptable >5 2-3 100 0.15-0.30 5-10 Jahre Partikelerosion Bei niedriger Geschwindigkeit akzeptabel5 3-5 100 0.30-0.70 2-5 Jahre Extreme Erosion Nicht empfohlen5 5-8 100 0.70-2.00 1-2 Jahre Inakzeptabel Nein
Blasenaufprall und Auswirkungen suspendierter Feststoffe

Schwebstoffe reduzieren die Erosions-{0}Korrosionsgeschwindigkeitsschwelle erheblich. Bei Strömungsgeschwindigkeiten von nur 2–3 m/s kann Wasser mit 100 ppm harter, kantiger Partikel (z. B. Sand oder Quarz) den Passivfilm auf 316 erodieren, was zu drei- bis fünfmal höheren Metallverlustraten führt als bei sauberem Wasser mit derselben Geschwindigkeit. Die schädlichste Situation für Heizmäntel ist keine gleichmäßige Strömung, sondern ein örtlicher Aufprall an Biegungen, Bögen oder vor Schutzrohren, wo die Strömung beschleunigt wird und Partikel auf die Oberfläche treffen. Gasblasen (durch Kavitation oder Flashing) verursachen ebenfalls Erosionsschäden. Wenn bei der Anwendung Schwebstoffe bekannt sind, beträgt die maximal empfohlene Strömungsgeschwindigkeit für 316-Hüllen 1,5–2,0 m/s, unabhängig vom Gehalt an gelöstem Sauerstoff.

Praktische Designempfehlungen für den High-Flow-Service

Three design solutions prevent erosion-corrosion for 316 encased heaters in high-flow water systems (pumped circulation loops, heat exchangers, and cooling towers). The first method is to place the heater in a flow bypass or stilling well to reduce the local velocity at the sheath to less than 1 m/s while maintaining bulk flow in the main pipe. The second is to place the heater parallel to flow (axial alignment) rather than perpendicular, so that the drag force and shear stress are reduced by a ratio of 5-10. The third is to specify a thicker sheath wall (2.0 to 2.5 mm) to offer more corrosion allowance but this does not prevent initiation of erosion corrosion. If high velocity (>3 m/s) und wenig gelöstem Sauerstoff (< 2 ppm) are unavoidable in the system, then duplex 2205 stainless steel or Alloy 625 should be considered for upgrade.

Felderkennung von Erosions- und Korrosionsschäden

Die für die Erosion-Korrosion von Heizgeräten im Betrieb mit hohem-Durchfluss charakteristischen Oberflächenmerkmale unterscheiden sich von denen der Lochfraß- oder Spaltkorrosion. Der beschädigte Bereich ist normalerweise glatt, poliert oder sieht aus wie ein Wasserschnitt, häufig mit gerichteten Rillen parallel zur Strömungsrichtung (hufeisen- oder kometenförmige Vertiefungen). Der Metallverlust verteilt sich über den beschädigten Bereich und nicht auf ein konzentriertes Loch. Und bei starker Vergrößerung weist die Oberfläche plastische Verformungen und Metallverschmierungen auf, weder die kristallographischen Facetten von SCC noch die kreisförmigen Grübchen von Chlorid-Lochfraß. Erosion-Korrosion sollte vermutet werden, wenn das Heizgerät länger als 1-2 Jahre in Wasser mit einer Geschwindigkeit von mehr als 3 m/s und einem gelösten Sauerstoff von weniger als 2 ppm in Betrieb war. Zum Austausch muss die Strömungsgeschwindigkeit an der Heizungsposition gemessen und verringert werden, um innerhalb des sicheren Bereichs in der obigen Tabelle zu liegen.

Fazit: Kontrolle von Fluss und Sauerstoff für die Zuverlässigkeit der 316-Schleuse

Erosion-Korrosion von mit Edelstahl 316 ummantelten Heizgeräten in Hochtemperaturwasseranwendungen beginnt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit und der Gehalt an gelöstem Sauerstoff nicht ausreichen, um die Bildung einer stabilen Passivschicht zu ermöglichen. In sauberem Wasser mit gelöstem Sauerstoff über 5 ppm sind Fließgeschwindigkeiten bis zu 5 m/s zulässig. Die maximale Geschwindigkeit bei gelöstem Sauerstoff von 2-5 ppm sinkt auf 3–4 m/s. Bei Geschwindigkeiten über 1 m/s und gelöstem Sauerstoff unter 2 ppm kommt es zu einem beschleunigten Metallverlust. Schwebstoffe senken die zulässigen Geschwindigkeiten um den Faktor 2 auf 3. 316. Für die Strömungsgeschwindigkeit, die Messwerte für gelösten Sauerstoff und im Vergleich zu den in der Tabelle oben aufgeführten Grenzwerten müssen für Umpumpsysteme vorgesehene Hüllen lokal an der Heizfläche gemessen oder berechnet werden. Der hier vorgeschlagene Ansatz ermöglicht es den Käufern, Strömungsbedingungen zu entwerfen, die die passive Beschichtung aufrechterhalten und eine vorzeitige Wandverdünnung vermeiden, indem gelöster Sauerstoff, Geschwindigkeit und Partikelbelastung mit quantitativen Erosions-Korrosionsraten in Beziehung gesetzt werden.