Unter welcher spezifischen Kombination aus Sulfatkonzentration und pH-Wert entwickelt ein 316L-Heizmantel in fließendem Süßwasser bei 60 Grad Lochfraß in Abwesenheit von Chloriden?

Der Mechanismus der Lochfraßbildung bei rostfreien Stählen ohne Chlorid

In Süßwassersystemen mit sehr niedrigem Chloridgehalt (< 20 ppm), but high to moderate sulphate concentrations (SO4 2-) and acidic pH such as in acid mine drainage, some industrial cooling waters or agricultural runoff, pitting corrosion can occur even in the absence of chloride ions, with 316L stainless steel sheathed electric heating tubes. For flowing conditions (1 m/s), sulphate ions are typically thought to be non-aggressive or inhibitive to pitting. However, at pH values below 4.0-4.5, sulphate can attack and create soluble iron sulphates, breaking down the passive film. The essential combination for pitting is: sulphate >500-1.000 ppm UND pH-Wert<4.0. Rates of pitting of 0.2-0.5 mm/yr occur at pH 3.0 and 1,000 ppm SO4 2-. Rates > 1 mm/year, pH 2.5, 1,000 ppm SO 2 4 . The sulfate-pH-pitting threshold for 316L in flowing freshwater at 60°C in the absence of chlorides is quantified in this article.

Der Mechanismus der durch niedrigen pH-Wert verursachten Sulfatlochfraßbildung

Unter neutralen oder alkalischen Bedingungen werden Sulfationen auf dem Passivfilm adsorbiert und verhindern Chlorid-induzierte Lochfraßbildung. Allerdings ist der Passivfilm bei niedrigem pH-Wert weniger stabil (<4.0). Sulphate can form soluble complexes with ferric ions ( FeSO4+ ), and can also take part in the anodic dissolution reaction. Local acidification in growing pits (pH as low as 1-2) permits sulphate to behave as an aggressive anion like chloride but under more acidic conditions. In sulphate solutions, the pitting potential (Epit) decreases with decreasing pH and increasing sulphate concentration .

60 Grad, 1 m/s Durchfluss Sulfat-Grenzwerte für pH-Lochfraß quantifiziert

Die folgenden Bedingungen für den Beginn der Lochfraßbildung wurden durch kontrollierte Flussschleifentests von 316L (elektropoliert, Ra=0.2 µm) in Sulfatlösungen (0-2.000 ppm SO42- als Na2SO4) mit pH-Regulierung durch H2SO4 (ohne Zugabe von Chloriden) bei 60 Grad und einer Geschwindigkeit von 1 m/s für 2.000 Stunden ermittelt.

Sulfatkonzentration (ppm SO4 2-) pH-Wert (60 Grad) Beginn der Lochfraßbildung (h) Lochfraßrate (mm/Jahr)| Grübchendichte (Grübchen/cm2)|Zeit bis zur Perforation (1,5 mm Wand, Jahre)|Empfohlen für fließendes Süßwasser (niedriger Cl)||<500 | >4.0 | >10,000 | <0.02 | 0 | >75 | Yes | | 500-1,000 | 5.0 | >10,000 | <0.02 | 0 | >75|Ja|| 500-1.000|4,0-4,5|5.000-10.000|0,02-0,05 |<1 | 30-75 | Yes | | 500-1,000 | 3.5-4.0 | 2,000-5,000 | 0.05-0.15 | 1-5 | 10-30 | Acceptable | | 500-1,000 | 3.0-3.5 | 1,000-2,000 | 0.15-0.40 | 5-20 | 4-10 | Marginal | | 500-1,000 | <3.0 | 200-1,000 | 0.40-1.00 | >20|1,5-4|Nicht empfohlen|| 1.000-2.000|4,0-4,5|2.000-5.000|0,05-0,15|1-5|10-30|Akzeptabel|| 1.000-2.000|3,5-4,0|800-2.000|0,15-0,40|5-15|4-10|Rand|| 1.000-2.000|3,0-3,5|300-800|0,40-0,80|15-40|2-4|Nicht empfohlen|| 1.000-2.000 |<3.0 | 100-300 | 0.80-2.00 | >40 | 0.75-2 | No | | >2,000 | <4.0 | <200 | >1.00 | >50 | <1.5 | No | |
Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf Sulfatlochfraß

In Chloridlösungen verringern höhere Strömungsgeschwindigkeiten die Lochfraßbildung, können jedoch die Sulfatlochfraßbildung durch die Entfernung schützender Korrosionsprodukte verstärken.

Strömungsgeschwindigkeit (m/s) Lochfraßrate bei 1.000 ppm SO4-2, pH 3,5, 60 °C (mm/Jahr) Zeit bis zum Durchbruch (Jahre) Empfohlene maximale Geschwindigkeit für saure Sulfatanwendungen<0.5 0.15-0.25 6-10 Acceptable
0.5-1.0 0.25-0.40 4-6 Marginal 1.0-1.5 0.40-0.60 2.5-4 Not recommended 1.5-2.5 0.60-0.90 1.7-2.5 No >2.5 >0.90 <1.7 No Practical Recommendations for Low-Chloride, High-Sulfate, Acidic Freshwater Service

Für 316L-ummantelte Heizgeräte in Süßwasser mit niedrigem Chlorid-, aber Sulfat-Gehalt und saurem pH-Wert bei 60 Grad gelten die folgenden Parameter.

Wassertyp Normaler pH-Wert Sulfat (ppm) Chlorid (ppm) Empfohlene Legierung Erwartete Lebensdauer (Jahre)
Säureminenentwässerung (mild) 4.0-5.0 500-1.500<50 316L with monitoring 5-10 
Säureminenentwässerung (schwerwiegend) 2.5-4.0 1.000-3.000<50 Duplex 2205 5-8
Industrielle Kühlung (sauer) 3.5-4.5 500-1.000<20 316L (acceptable) 8-12 
Agricultural runoff (acidic) 4.0-5.0 100-500 10-50 316L >10 
Alle mit pH-Wert<3.0 <3.0 >500 Alle Nicht-316L-Upgrades auf Legierung 20 Feldidentifizierung von Sulfat-induzierter Lochfraßbildung

Bei einem 316L-Heizgerät, das in Süßwasser mit Chloriden Lochfraß verursacht, kann man vermuten, dass es zu Sulfat--Lochfraß kommt<50 ppm but sulphate >500 ppm und pH<4.0. The pits are usually tiny (50-200 µm) and frequent and no chloride was discovered in the pit residue (EDS). The corrosion product may contain sulphur. Water analysis will show low chloride, moderate to high sulphate and low pH. The remedy is to elevate the pH (neutralise) or go to Alloy 20 or duplex 2205.

Fazit: Lassen Sie nicht zu, dass pH-Wert und Sulfat die Ursache für Nicht-Chlorid-Lochfraß sind

Lochfraß an Heizmänteln aus 316L-Edelstahl in fließendem (1 m/s) Süßwasser bei 60 Grad mit niedrigem Chloridgehalt (<20 ppm) occurs at sulphate concentrations >500–1.000 ppm, wenn der pH-Wert unter 3,5–4,0 liegt. Lochfraßraten von 0,4–0,8 mm/Jahr bei pH 3,0–3,5 und 1000 ppm SO₄²⁻ führen in 2–4 Jahren zu Perforationen. Ingenieure müssen den pH-Wert und die Sulfatkonzentration testen, nicht nur Chloride, um 316L-Hüllen für die Frischwasserversorgung zu definieren. Beim pH-Wert<4.0 and sulphate >500 ppm, entweder pH-Neutralisierung oder Legierungsverbesserung erforderlich. Das hier entwickelte Rahmenwerk, das den Sulfatgehalt und den pH-Wert mit der Lochfraßinitiierung und -ausbreitungsrate bei 60 Grad in chloridfreiem Wasser in Beziehung setzt, ermöglicht es Käufern, Nicht-Chlorid-Lochfraß von 316L-Heizungsmänteln in sauren Süßwassersystemen mit hohem Sulfatgehalt zu erkennen und zu verhindern.