¿Bajo qué combinación específica de pH e índice de saturación la funda del calentador de acero inoxidable 316 desarrolla incrustaciones de carbonato de calcio que causan corrosión por debajo del depósito a 90 grados?

El umbral de incrustación de protector a corrosivo

For 316 stainless steel encased electric heating tubes immersed in hard water at 90°C, the precipitation of calcium carbonate scale on the sheath surface is not a simple thermal insulation problem-it can also lead to localised corrosion referred to as under-deposit corrosion (UDC). At high supersaturation (Langelier Saturation Index, LSI, between 0.5 and 1.5), the scale layer is thin (20-100 µm) and porous, so that corrosive species (chlorides, oxygen) can reach the metal surface below the scale, generating a differential aeration cell that speeds up pitting. At high supersaturation (LSI >2.0) scale is thick (>200 µm) y continuo deteniendo completamente el movimiento del oxígeno y formando una capa estancada altamente corrosiva. No se forma ninguna escala por debajo de LSI 0,5 y 316 es pasivo. La combinación clave para UDC es pH de 7,5 a 8,5 (donde el equilibrio de bicarbonato-carbonato es favorable para la producción a escala) y LSI de 0,8 a 1,8. Este documento calcula los umbrales de pH-LSI para la corrosión bajo-depósito en vainas 316 a 90 grados.

Mecanismo de corrosión bajo-depósito

Cuando se forma una incrustación porosa de carbonato de calcio en acero inoxidable 316 en agua caliente, el metal debajo de la incrustación pierde oxígeno porque el paso de oxígeno a través de la incrustación y la capa estacionaria es lento. Las partes libres de incrustaciones (si las hay) o las áreas justo fuera de la incrustación están completamente oxigenadas formando una celda de aireación diferencial, siendo el metal privado de oxígeno debajo de la incrustación el ánodo y el metal desnudo rico en oxígeno el cátodo. Los iones de cloruro fluyen hacia el área anódica para preservar la neutralidad de la carga y el bajo pH de la hidrólisis del metal bajo la escala inhibe la repasivación. La velocidad de corrosión puede alcanzar entre 0,5 y 2 mm por año, lo que es comparable a la velocidad de corrosión activa en ácido. Se puede dejar la escama en sí, pero el metal que hay debajo se disuelve, formando una cavidad que perfora la vaina.

Umbrales cuantificados para la corrosión bajo-depósito a 90 grados

Las combinaciones de pH-LSI que causan corrosión bajo depósito en 1000 horas se han determinado para 316 vainas (Ra=0.4 µm) en agua dura sintética (300 ppm de dureza de CaCO3, 200 ppm de alcalinidad, 200 ppm de Cl-, pH ajustado, 90 grados, flujo de calor de 5 W/cm2).

Índice de saturación de Langelier (LSI) pH a 90 grados (estimado) Espesor de la escala (después de 1000 horas) (micras) Porosidad de la escala (%)Bajo-Tasa de corrosión del depósito (mm/año)Tiempo hasta la perforación (pared de 1,5 mm) Recomendado<0 (undersaturated) <7.0 No scale N/A 0.02 (no UDC) >75 años Sí 0-0.5 7.0-7.5 0-20 N/A 0.02-0.05 30-75 años Sí
0.5-0.8 7.5-7.8 10-30 30-50% 0.05-0.10 15-30 años Aceptable
0,8 a 1.2 7.8 a 8.1 20 a 50 20 a 30% 0,10 a 0.25 6 a 15 añosMarginal 1.2-1.5 8.1-8.4 30-80 10-20% 0.25-0.50 3-6 añosNo recomendado
1.5-1.8 8.4-8.7 50-120 5-10% 0.50-1.00 1.5-3 años No aceptable
1.8-2.0 8.7-8.9 80-150 <5% 0.20-0.40 (protective scale) 4-8 years (limited UDC) Transition2.0 >8.9 >150 <3% (dense) <0.05 (sealed, no UDC) >30 años (pero riesgo de sobrecalentamiento) riesgo de sobrecalentamiento, no UDC
Influencia del cloruro en la intensidad de la corrosión bajo-depósito

La concentración de cloruro acelera sustancialmente el UDC. La influencia del cloruro en el umbral crítico de LSI para UDC a 90 grados se ve en la siguiente tabla.

Concentración de cloruro (ppm) Umbral de LSI para iniciar el UDC (vida útil de 5 años) LSI máximo preferido para una vida útil de 5 años Acción recomendada<50 >1.5 1.8 Scale inhibitor acceptable 50-100 >1.2 1.5 Scale inhibitor preferred 100-200 >1.0 1.2 Se requiere suavizante o inhibidor
200-500 >0.8 1.0 Water softening strongly recommended >500 >0.5 0.8 Se requiere ablandamiento; consideración de actualización
Especificaciones prácticas de química del agua para la prevención de la UDC

Para evitar la corrosión bajo-depósito, se recomiendan los siguientes criterios químicos del agua para calentadores enfundados 316 a 90 grados:

Langelier Saturation Index (LSI): keep below 1.0 (goal 0.5-0.8) if chloride is >200 ppm; manténgase por debajo de 1,2 si el cloruro es de 100 a 200 ppm; manténgase por debajo de 1,5 si hay cloruro<100 ppm

pH a 90 °C: mantener 7.0 - 7.8 (pH más bajo=menos incrustaciones, más peligro de corrosión general. pH más alto=más incrustaciones, más riesgo de UDC)

Alcalinidad: Menos de 200 ppm como CaCO3 para reducir el potencial de desarrollo de incrustaciones.

Inhibidor de incrustaciones: agregue 2-5 ppm de fosfonato o poliacrilato si LSI > 1,0

En-Diagnóstico de campo de corrosión de depósitos

La UDC debajo de las incrustaciones de carbonato de calcio conduce a cavidades hemisféricas típicas en la superficie de la vaina, generalmente de 2 a 10 mm de diámetro, con las incrustaciones aún adheridas o parcialmente eliminadas. Al quitar las incrustaciones se exponen superficies de metal brillantes, brillantes y picadas, en lugar de la superficie opaca y escamosa. Las picaduras a menudo tienen bordes socavados donde la corrosión se ha movido lateralmente debajo de la escala. En el caso de acumulación de sarro-con calentadores defectuosos pero sin evidencia de picaduras en las secciones-libres de sarro, se debe considerar el UDC. El análisis de incrustaciones mediante difracción de rayos X- suele mostrar calcita o aragonita (CaCO₃), a veces combinada con productos de corrosión (Fe₂O₃, Fe₃O₄). La respuesta es minimizar el LSI (mediante reducción del pH o ablandamiento del agua) o agregar un inhibidor de incrustaciones que cambie la forma del cristal a incrustaciones no-adherentes.

Conclusión: gestión del LSI y el pH para evitar la corrosión bajo-depósitos

Calentadores revestidos de acero inoxidable 316 en agua dura a 90 grados. La formación de una incrustación porosa de carbonato de calcio, que establece células de aireación diferencial, ocurre cuando el índice de saturación de Langelier (LSI) está entre 0,8 y 1,8 y el pH está entre 7,5 y 8.5 . Por encima de LSI 1,8, la incrustación es densa y protectora contra el UDC (aunque el sobrecalentamiento puede ser un problema). En LSI < 0,8, la creación de escala no activa la UDC. El LSI debe calcularse a la temperatura de funcionamiento. En el servicio de agua dura, los ingenieros que especifican vainas 316 deben mantener el LSI por debajo de 1,0 cuando el cloruro supera las 200 ppm o incluir inhibidores de incrustaciones que afecten la morfología de las incrustaciones. La metodología proporcionada aquí proporciona un vínculo entre el pH, el LSI y las tasas mensurables de UDC, lo que permite a los clientes elegir la química del agua que evitará la corrosión localizada inducida por incrustaciones.