Pada Kombinasi Spesifik Tingkat Oksigen Terlarut dan Kecepatan Aliran yang Melakukan Transisi Selubung Pemanas Baja Tahan Karat 316 dari Pasif ke Erosi-Korosi dalam Air-Suhu Tinggi

Penghapusan mekanis film pasif sebagai mekanisme kegagalan

Erosi-korosi pada tabung pemanas listrik yang dilapisi baja tahan karat 316 dan direndam dalam air bersuhu tinggi (80-100 derajat ) yang mengandung padatan tersuspensi atau dioperasikan pada kecepatan aliran tinggi. Lapisan pasif dapat dihilangkan secara utuh atau dihilangkan secara mekanis melalui erosi-korosi bergantung pada kombinasi tingkat oksigen terlarut dan kecepatan fluida. Lapisan pasif akan terbentuk kembali secepat lapisan tersebut dihilangkan dan laju korosi berada di bawah 0,05 mm per tahun di bawah ambang batas kritis. Di atas laju kritis, laju penghilangan mekanis melampaui laju repassivasi dan kehilangan logam dipercepat hingga 1 hingga 5 mm/tahun, cukup untuk melubangi dinding setebal 1,5 mm dalam waktu 3 hingga 18 bulan. Makalah ini memperkirakan ambang batas kecepatan oksigen terlarut untuk inisiasi erosi-korosi pada 316 selubung dan menyajikan saran desain dinamika fluida untuk layanan yang andal.

Mekanisme Elektrokimia-Kopling Mekanis

Korosi erosi pada baja tahan karat 316 dalam air memerlukan tiga hal: cairan yang mengalir di atas permukaan logam untuk menghasilkan tegangan geser, oksigen terlarut yang cukup untuk mempertahankan aktivitas katodik, dan partikel abrasif tersuspensi atau gelembung berkecepatan tinggi yang secara mekanis dapat mengganggu lapisan pasif. Dalam air bersih, dengan kecepatan tinggi dan tanpa partikel, film pasif dapat tetap utuh karena gaya gesernya saja (hingga 10-20 Pa) tidak melebihi kekuatan adhesi film. Namun, pada oksigen terlarut sekitar 2 ppm, laju repassivasi turun dan bahkan tegangan geser ringan pun dapat menghalangi pembentukan lapisan film yang stabil. Di sisi lain, dengan kandungan oksigen terlarut yang tinggi (lebih dari 5 ppm) repassivasi berlangsung cepat dan film dapat menahan kecepatan yang lebih besar. Kondisi terburuk terjadi pada tingkat oksigen menengah (0,5-2 ppm) dimana repassivasi dilakukan secara bertahap namun terdapat arus katodik yang cukup untuk mendorong disolusi anodik pada setiap lokasi logam kosong.

Erosi Terkuantifikasi-Ambang Batas Korosi 316 pada 90C

Uji loop aliran dan elektroda silinder berputar dengan 316 spesimen baja tahan karat dalam air bersuhu 90 derajat (pH 7,5, 100 ppm klorida) telah secara sistematis menentukan kecepatan aliran dan kombinasi oksigen terlarut yang menghasilkan laju erosi-korosi yang melebihi 0,1 mm per tahun.

Oksigen Terlarut (ppm) Kecepatan Aliran (m/s) Padatan Tersuspensi (ppm, silika 50 µm) Erosi-Laju Korosi (mm/tahun) |Waktu hingga Perforasi (dinding 1,5 mm) Mekanisme yang Direkomendasikan<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 tahun Erosi-korosiTidak disarankan
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 tahun Erosi-KorosifTidak disarankan untuk jangka panjang
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 tahunKontrol campuran Tidak direkomendasikan
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 tahun Korosi erosi Tidak dapat diterima<0.5 Any 0 >0.50 <3 years Active corrosion (deaerated) Unacceptable >5 2-3 100 0.15-0.30 5-10 tahun Erosi partikel Dapat diterima pada kecepatan rendah5 3-5 100 0.30-0.70 2-5 tahun Erosi ekstrim Tidak direkomendasikan5 5-8 100 0.70-2.00 1-2 tahun Tidak dapat diterima Tidak
Efek Pelampiasan Gelembung dan Padatan Tersuspensi

Padatan tersuspensi mengurangi-ambang batas kecepatan korosi secara signifikan. Pada kecepatan aliran serendah 2-3 m/s, air dengan 100 ppm partikel keras dan bersudut (misalnya pasir atau silika) dapat mengikis lapisan pasif pada 316 sehingga mengakibatkan tingkat kehilangan logam 3-5 kali lebih besar dibandingkan dengan air bersih pada kecepatan yang sama. Situasi yang paling merusak pada selubung pemanas bukanlah aliran yang seragam tetapi pelampiasan lokal pada tikungan, siku atau hulu thermowell dimana aliran semakin cepat dan partikel menghantam permukaan. Gelembung gas (akibat kavitasi atau kilatan cahaya) juga menyebabkan kerusakan akibat erosi. Jika aplikasi mengandung partikel tersuspensi, kecepatan aliran maksimum yang direkomendasikan untuk 316 selubung turun menjadi 1,5-2,0 m/detik terlepas dari tingkat oksigen terlarut.

Rekomendasi Desain Praktis untuk Layanan Aliran Tinggi

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) dan oksigen terlarut rendah (< 2 ppm) are unavoidable in the system, then duplex 2205 stainless steel or Alloy 625 should be considered for upgrade.

Pengakuan Lapangan terhadap Kerusakan Erosi-Korosi

Karakteristik fitur permukaan erosi-korosi pemanas dalam layanan-aliran tinggi berbeda dengan korosi lubang atau celah. Area yang rusak biasanya halus, dipoles atau terlihat seperti 'terpotong air', seringkali dengan alur yang sejajar dengan arah aliran (lubang berbentuk tapal kuda atau komet). Hilangnya logam tersebar di wilayah yang rusak, bukan di satu lubang yang terkonsentrasi. Dan pada perbesaran tinggi, permukaannya menunjukkan deformasi plastis dan noda logam, baik sisi kristalografi SCC maupun lubang melingkar dari lubang klorida. Erosi-korosi harus dicurigai jika pemanas telah digunakan selama lebih dari 1-2 tahun di air dengan kecepatan lebih dari 3m/s dan oksigen terlarut kurang dari 2 ppm. Untuk menggantikannya, kecepatan aliran pada posisi heater harus diukur dan diturunkan agar berada dalam zona aman pada tabel di atas.

Kesimpulan: mengendalikan aliran dan oksigen untuk keandalan 316 selubung

Erosi-korosi pada pemanas terbungkus baja tahan karat 316 dalam layanan air bersuhu tinggi dimulai ketika kecepatan aliran dan tingkat oksigen terlarut tidak mencukupi untuk memungkinkan terciptanya lapisan pasif yang stabil. Dalam air bersih dengan oksigen terlarut melebihi 5 ppm, kecepatan aliran diperbolehkan hingga 5 m/s. Kecepatan maksimum pada oksigen terlarut 2-5 ppm turun menjadi 3-4 m/detik. Kehilangan logam terjadi dengan laju yang dipercepat pada kecepatan di atas 1 m/detik pada oksigen terlarut di bawah 2 ppm. Partikel tersuspensi menurunkan kecepatan yang diizinkan sebesar faktor 2 hingga 3. 316 Untuk kecepatan aliran, pembacaan oksigen terlarut dan dibandingkan dengan ambang batas yang ditunjukkan pada tabel di atas, selubung yang ditujukan untuk sistem sirkulasi yang dipompa harus diukur atau dihitung secara lokal pada permukaan pemanas. Pendekatan yang diusulkan di sini memungkinkan pembeli untuk merancang kondisi aliran yang mempertahankan lapisan pasif dan menghindari penipisan dinding dini, dengan menghubungkan oksigen terlarut, kecepatan dan pemuatan partikel dengan laju erosi-korosi kuantitatif.