¿Bajo qué combinación específica de concentración de oxígeno disuelto del agua de alimentación y pH la funda del calentador de acero inoxidable 316 sufre corrosión-acelerada (FAC) a 200 grados en agua de alimentación de caldera de alta-velocidad?

Disolución de la película pasiva en agua de alta pureza y temperatura

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 (>5m/s). Este artículo evalúa los umbrales de oxígeno disuelto y pH para el inicio de FAC en 316 vainas a 200 grados.

Mecanismo de solubilidad a alta temperatura de películas pasivas.

En agua a alta-temperatura (200 grados), la película pasiva del 316 es una bicapa de óxido de cromo (Cr₂O₃) y espinela de hierro-cromo (FeCr₂O₄). Estos óxidos son muy sensibles al pH y al oxígeno disuelto por su solubilidad. Cuando se desairea (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) el óxido de cromo se disuelve como cromita (CrO 2-) o cromato (CrO 4 2-). A pH bajo (<6.0) the film dissolves into Cr3+ ions. High flow velocity (>3-5 m/s) elimina las especies disueltas constantemente e impide la repasivación y mantiene una alta velocidad de disolución. La energía de activación del FAC del 316 es de aproximadamente 40-60 kJ/mol, es decir, la velocidad de corrosión se duplica cada 15-25 grados por encima de los 150 grados.

Umbrales de FAC cuantificados de 316 a 200 grados en agua de alta-velocidad

A continuación se muestran las tasas de corrosión y el comportamiento de adelgazamiento de las paredes del acero inoxidable 316 en una prueba de circuito controlado a 200 grados con variaciones en el oxígeno disuelto, el pH y la velocidad del flujo.

Oxígeno disuelto (ppb) pH a 200 grados Velocidad de flujo (m/s) Solubilidad del óxido dominante Tasa FAC (mm/año) Tiempo hasta 0,5 mm Pérdida de pared (horas) Recomendado para servicio a 200 grados<5 (deaerated) 6.5-7.5 Any Minimal <0.02 >25.000 sí<5 7.5-8.5 <3 Minimal <0.02 >25.000 sí<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 Disolución de cromita 0.15-0.40 1,250-3500 Inaceptable<5 >10.5 Any Rapid chromite >0.40 <1,250 Unacceptable <5 5.5-6.5 >3 Cr3+ solubilidad 0.10-0.30 1,700-5000 Inaceptable<5 <5.5 Any Rapid Cr3+ >0.30 <1,700 Unacceptable
5-20 (low) 8.5-9.5 >3 Solubilidad reducida 0.03-0.08 6,000-17,000 Marginal
20-100 (moderate) 8.5-9.5 >5 película pasiva estabilizada<0.02 >25,000 Yes 20-100 9.5-10.5 >5 Some stabilization 0.02-0.05 10,000-25,000 Acceptable >100Cualquiera Cualquiera Totalmente pasivo<0.02 >25.000 sí
El FAC de 316 depende en gran medida de la velocidad del flujo.

La velocidad del flujo es el factor de escala que transforma la solubilidad pasiva de la película en un adelgazamiento medido de la pared. La siguiente tabla muestra la dependencia de la velocidad a 200 grados C, condiciones sin aire, pH 9,2 (zona marginal).

Velocidad del flujo (m/s) Esfuerzo cortante de la pared (Pa, estimado) Tasa FAC @ 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
Especificación de diseño y química práctica del agua de calentadores de agua de alimentación a 200 grados

316 calentadores encerrados a 200 grados en agua de alimentación de calderas de alta velocidad están protegidos contra la corrosión acelerada por flujo mediante los siguientes requisitos.

Tipo de agua de alimentación Oxígeno disuelto objetivo (ppb) pH recomendado, 200 grados Velocidad máxima de flujo en la funda (m/s) Vida útil esperada del calentador (años)
Toda la terapia volátil (AVT) - reducción 2-5 8.0-8.5 3.0 8-10
Todo-tratamiento volátil (AVT) - oxidante 50-100 8.0-8.5 5.0 10-15
Oxygenated therapy (OT) 100-300 8.0-8.5 6.0 >15 
Tratamiento con fosfato 5-20 8.5-9.0 3.0 5-8 (monitorizar)
Any treatment with pH >9.5 N/A >9.5 <2.0 5-10 (316 marginal)
Identificación de campo de FAC en fundas de calentador 316

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 o<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 (si es compatible con el sistema general), o para limitar la velocidad del flujo colocando el calentador en un bypass o en un pozo tranquilizador. La susceptibilidad a FAC se puede eliminar cambiando a titanio o aleación 825.

Resumen: Química del agua de alimentación y gestión de la velocidad para prevenir la FAC

La corrosión acelerada por flujo de calentadores revestidos de acero inoxidable 316 en agua de alimentación de calderas a 200 grados se lleva a cabo en condiciones desaireadas (DO<5-10 ppb) in combination with alkaline pH >9,5 o pH ácido<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 estabilizarán la película pasiva y evitarán el FAC. La metodología proporcionada aquí relaciona el oxígeno disuelto, el pH y la velocidad del flujo con tasas de FAC mensurables a 200 grados, y permite al comprador definir la química del agua y los parámetros hidráulicos que mantendrán la película pasiva en las fundas del calentador 316 en la operación de agua de alimentación de calderas de alta velocidad.