Onder welke specifieke combinatie van voedingswater, opgeloste zuurstofconcentratie en pH heeft de 316 roestvrijstalen verwarmingsmantel last van stroming-Versnelde corrosie (FAC) bij 200 graden in ketelvoedingswater met hoge snelheid-

Oplossen van de passieve film in water met hoge zuiverheid en hoge temperatuur

The high velocity boiler feedwater systems operating at 200°C (typical for high-pressure boiler economisers or feedwater heaters) can be a problem for 316 stainless steel sheathed electric heating tubes due to flow-accelerated corrosion (FAC), which is thought to be immune to this phenomenon (which occurs mainly in carbon and low-alloy steels). The FAC of 316 is different from the traditional FAC of magnetite (Fe3O4) layers on carbon steel where it is a direct dissolution of passive film by the combined impacts of high flow velocity, high temperature and unique water chemistry. The passive film on 316 dissolves at 200°C, when the dissolved oxygen is less than 5 ppb (deaerated) and the pH is greater than 9.5 or less than 6.5. Under such conditions wall thinning rates of 0.1-0.5 mm/year have been seen in high velocity zones (>5 m/s). Dit artikel beoordeelt de opgeloste zuurstof- en pH-drempels voor FAC-initiatie op 316 omhulsels bij 200 graden.

Mechanisme van oplosbaarheid bij hoge temperatuur van passieve films

In water met hoge -temperatuur (200 graden) is de passieve film op 316 een dubbellaag van chroomoxide (Cr₂O₃) en ijzerchroomspinel (FeCr₂O₄). Deze oxiden zijn vanwege hun oplosbaarheid zeer gevoelig voor de pH en opgeloste zuurstof. Wanneer ontlucht (DO<5 ppb) the corrosion potential is in the active or passive-transition area where the passive film is less stable . At high pH (>9.5) chroomoxide wordt opgelost als chromiet (CrO 2-) of chromaat (CrO 4 2-). Bij lage pH (<6.0) the film dissolves into Cr3+ ions. High flow velocity (>3-5 m/s) verwijdert de opgeloste soorten constant en voorkomt de repassivering en handhaaft een hoge oplossnelheid. De activeringsenergie voor FAC van 316 is ongeveer 40-60 kJ/mol, dwz de corrosiesnelheid verdubbelt elke 15-25 graden boven 150 graden.

Gekwantificeerde FAC-drempels van 316 bij 200 graden in water met hoge -snelheid

Hieronder worden de corrosiesnelheden en het wandverdunningsgedrag voor 316 roestvrij staal weergegeven in een gecontroleerde lustest bij 200 graden met variaties in opgeloste zuurstof, pH en stroomsnelheid.

Opgeloste zuurstof (ppb) pH bij 200 graden Stroomsnelheid (m/s) Dominante oxideoplosbaarheid FAC-snelheid (mm/jr) Tijd tot 0,5 mm Wandverlies (uur) Aanbevolen voor 200 graden service<5 (deaerated) 6.5-7.5 Any Minimal <0.02 >25.000 Ja<5 7.5-8.5 <3 Minimal <0.02 >25.000 Ja<5 7.5-8.5 3-5 Slight 0.02-0.05 10,000-25,000 Acceptable <5 8.5-9.5 3-5 Cr(OH)3 solubility 0.05-0.15 3,500-10,000 Not recommended <5 9.5-10.5 >3 Chromietoplossing 0.15-0.40 1,250-3.500 Onaanvaardbaar<5 >10.5 Any Rapid chromite >0.40 <1,250 Unacceptable <5 5.5-6.5 >3 Cr3+ oplosbaarheid 0.10-0.30 1,700-5.000 Onaanvaardbaar<5 <5.5 Any Rapid Cr3+ >0.30 <1,700 Unacceptable
5-20 (low) 8.5-9.5 >3 Verminderde oplosbaarheid 0.03-0.08 6.000-17.000 Marginaal
20-100 (moderate) 8.5-9.5 >5 Passieve film gestabiliseerd<0.02 >25,000 Yes 20-100 9.5-10.5 >5 Some stabilization 0.02-0.05 10,000-25,000 Acceptable >100Elke Elke Volledig passief<0.02 >25.000 Ja
De FAC van 316 is zeer afhankelijk van de stroomsnelheid.

Stroomsnelheid is de schaalfactor die passieve filmoplosbaarheid omzet in gemeten wandverdunning. Onderstaande tabel toont de snelheidsafhankelijkheid bij 200 graden C, ontluchte omstandigheden, pH 9,2 (marginale zone).

Stroomsnelheid (m/s) Wandschuifspanning (Pa, geschat) FAC-snelheid @ DO<5 ppb, pH 9.2 (mm/yr)Time to 50% of Original 1.5 mm Wall Loss(hours) Recommended Maximum Velocity for 10-Year Life <1 <10 <0.01 >75,000 Safe 1-2 10-20 0.01-0.03 25,000-75,000 Safe 2-3 20-35 0.03-0.06 12,500-25,000 Acceptable 3-5 35-60 0.06-0.12 6,000-12,500 Marginal (monitor) 5-8 60-100 0.12-0.20 3,750-6,000Not recommended 8-12 100-150 0.20-0.35 2,000-3,750 Unacceptable >12 >150 >0.35 <2,000 Not acceptable
Ontwerpspecificatie en praktische waterchemie van voedingswaterverwarmers op 200 graden

316 ingekapselde verwarmers bij 200 graden in ketelvoedingswater met hoge snelheid worden beschermd tegen stromingsversnelde corrosie door de volgende vereisten.

Type voedingswater Doel Opgeloste zuurstof (ppb) Aanbevolen pH, 200 graden Maximale stroomsnelheid bij mantel (m/s) Verwachte levensduur van verwarmingselement (jaren)
Alle vluchtige therapie (AVT) - reductie 2-5 8.0-8.5 3.0 8-10
Alle-vluchtige behandeling (AVT) - oxiderend 50-100 8.0-8.5 5.0 10-15
Oxygenated therapy (OT) 100-300 8.0-8.5 6.0 >15 
Fosfaatbehandeling 5-20 8.5-9.0 3.0 5-8 (monitor)
Any treatment with pH >9.5 N/A >9.5 <2.0 5-10 (316 marginal)
Veldidentificatie van FAC op 316 verwarmingsmantels

The FAC on a 316 heater will produce unique surface features that are different from conventional corrosion mechanisms in high temperature, high velocity feedwater. The surface is smooth, polished or "orange-peel" in appearance with no pitting or scale. The wall thinning is homogeneous at the high velocity zones (e.g. pipe entry, directly facing the flow). The thinning is often a steady drop of outside diameter throughout the heater length. Scanning electron microscopy (SEM) shows a smooth, featureless surface, with no attack at the grain boundaries. Water chemistry log will show pH >9,5 of<6.0 and dissolved oxygen <5-20 ppb for prolonged durations. For such failures the answer is to adjust water chemistry to keep pH in the 8.0-8.5 range, and dissolved oxygen >20-50 ppb (indien compatibel met het gehele systeem), of om de stroomsnelheid te beperken door de verwarmer in een bypass of stille put te plaatsen. FAC-gevoeligheid kan worden geëlimineerd door over te stappen op titanium of Alloy 825.

Samenvatting: Voedingswaterchemie en snelheidsbeheer om FAC te voorkomen

De stroomversnelde corrosie van 316 roestvrijstalen verwarmingselementen in ketelvoedingswater van 200 graden vindt plaats in ontluchte omstandigheden (DO<5-10 ppb) in combination with alkaline pH >9,5 of zure pH<6.0 and flow velocities >3-5 m/sec. Under these conditions, the passive film is dissolved as chromite or chromium ions, resulting in wall thinning rates of 0.1-0.5 mm/year. For high temperature feedwater service with 316 sheaths, engineers should stipulate pH of 8.0-9.0, dissolved oxygen >20 ppb (ideally 50-100 ppb) and a flow velocity below 3-4 m/s at the sheath surface. If high velocity (>5 m/s) cannot be avoided, oxidising water treatment (oxygenated treatment, OT) with DO >100 ppb zal de passieve film stabiliseren en FAC vermijden. De hier gegeven methodologie relateert opgeloste zuurstof, pH en stroomsnelheid aan meetbare FAC-snelheden bij 200 graden, en stelt de koper in staat de waterchemie en hydraulische parameters te definiëren die de passieve film op 316 verwarmingsmantels in stand houden bij gebruik van hogesnelheidsketelvoedingswater.