Sous quelle combinaison spécifique du niveau d'oxygène dissous et de la vitesse d'écoulement la gaine chauffante en acier inoxydable 316 passe-t-elle du passif à l'érosion-corrosion dans l'eau à haute-température

Retrait mécanique du film passif comme mécanisme de défaillance

Érosion-corrosion des tubes de chauffage électrique gainés d'acier inoxydable 316 et immergés dans de l'eau à haute température (80-100 degrés) contenant des matières en suspension ou fonctionnant à des vitesses d'écoulement élevées. Le film passif est soit intact, soit éliminé mécaniquement par érosion-corrosion en fonction de la combinaison du niveau d'oxygène dissous et de la vitesse du fluide. La couche passive se reforme aussi vite qu'elle est éliminée et les taux de corrosion sont inférieurs à 0,05 mm par an sous les seuils critiques. Au-dessus du taux critique, le taux d'enlèvement mécanique dépasse le taux de repassivation et la perte de métal est accélérée jusqu'à 1 à 5 mm/an, de quoi perforer une paroi de 1,5 mm d'épaisseur en 3 à 18 mois. Cet article estime les seuils de vitesse de l'oxygène dissous-pour l'initiation de l'érosion-corrosion sur 316 gaines et présente des conseils de conception en dynamique des fluides pour un service fiable.

Mécanisme de couplage électrochimique-mécanique

La corrosion par érosion de l'acier inoxydable 316 dans l'eau nécessite trois choses : un fluide circulant sur la surface métallique pour produire une contrainte de cisaillement, suffisamment d'oxygène dissous pour maintenir l'activité cathodique et soit des particules abrasives en suspension, soit des bulles à grande vitesse-qui peuvent perturber mécaniquement le film passif. Dans de l'eau propre, à haute vitesse et sans particules, le film passif peut rester intact car la force de cisaillement seule (jusqu'à 10-20 Pa) ne dépasse pas la force d'adhésion du film. Cependant, à environ 2 ppm d'oxygène dissous, le taux de repassivation chute et même une légère contrainte de cisaillement peut empêcher la formation d'un film stable. En revanche, avec des teneurs élevées en oxygène dissous (supérieures à 5 ppm), la repassivation est rapide et le film peut résister à des vitesses plus élevées. Les pires conditions se situent à des niveaux d'oxygène intermédiaires (0,5 à 2 ppm) où la repassivation est progressive mais où il y a suffisamment de courant cathodique pour favoriser la dissolution anodique sur n'importe quel site métallique nu.

Érosion quantifiée-Seuils de corrosion 316 à 90 C

Des tests de boucle d'écoulement et d'électrodes à cylindre rotatif avec 316 échantillons d'acier inoxydable dans de l'eau à 90 degrés (pH 7,5, 100 ppm de chlorure) ont systématiquement déterminé la vitesse d'écoulement et les combinaisons d'oxygène dissous qui entraînent des taux d'érosion-corrosion dépassant 0,1 mm par an.

Oxygène dissous (ppm) Vitesse d'écoulement (m/s) Solides en suspension (ppm, silice 50 µm) Érosion-Taux de corrosion (mm/an)|Temps jusqu'à perforation (paroi de 1,5 mm) Mécanisme recommandé<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 ans Érosion-corrosionDéconseillé
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 ans Érosion-CorrosifNon recommandé à long terme
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 ansContrôle mixte Non recommandé
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 ans Corrosion par érosion Inacceptable<0.5 Any 0 >0.50 <3 years Active corrosion (deaerated) Unacceptable >5 2-3 100 0.15-0.30 5-10 ans Érosion des particules Acceptable à faible vitesse5 3-5 100 0.30-0.70 2-5 ans Érosion extrême Non recommandé5 5-8 100 0.70-2.00 1-2 ans Inacceptable Non
Effets de l'impaction des bulles et des matières en suspension

Les matières en suspension réduisent considérablement le seuil de vitesse d'érosion-corrosion. À des vitesses d'écoulement aussi faibles que 2 à 3 m/s, l'eau contenant 100 ppm de particules dures et anguleuses (par exemple du sable ou de la silice) peut éroder le film passif du 316, ce qui entraîne des taux de perte de métal 3 à 5 fois supérieurs à ceux de l'eau propre à la même vitesse. La situation la plus dommageable pour les gaines chauffantes n'est pas un écoulement uniforme mais un impact localisé au niveau des coudes ou en amont des puits thermométriques où l'écoulement s'accélère et où les particules heurtent la surface. Les bulles de gaz (provenant de la cavitation ou du flash) provoquent également des dommages par érosion. Si l'application contient des particules en suspension, la vitesse d'écoulement maximale recommandée pour les gaines 316 tombe à 1,5-2,0 m/sec, quel que soit le niveau d'oxygène dissous.

Recommandations pratiques de conception pour les services à haut débit

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) et faible teneur en oxygène dissous (< 2 ppm) are unavoidable in the system, then duplex 2205 stainless steel or Alloy 625 should be considered for upgrade.

Reconnaissance sur le terrain des dommages causés par l'érosion et la corrosion

Les caractéristiques de surface caractéristiques de l'érosion-corrosion des appareils de chauffage en service à haut-débit sont différentes de celles de la corrosion par piqûres ou fissures. La zone endommagée est généralement lisse, polie ou d'apparence « coupée à l'eau », fréquemment avec des rainures dirigées parallèlement à la direction de l'écoulement (puits en forme de fer à cheval ou de comète -). La perte de métal est répartie sur la région endommagée, au lieu d'être concentrée sur un seul trou. Et à fort grossissement, la surface présente une déformation plastique et des bavures métalliques, ni les facettes cristallographiques du SCC ni les piqûres circulaires des piqûres de chlorure. Une érosion-corrosion doit être suspectée si le réchauffeur a été en service pendant plus de 1 à 2 ans dans de l'eau avec une vitesse supérieure à 3 m/s et de l'oxygène dissous inférieur à 2 ppm. Pour le remplacer, la vitesse d'écoulement à la position du réchauffeur doit être mesurée et diminuée pour se situer dans la zone de sécurité indiquée dans le tableau ci-dessus.

Conclusion : contrôler le débit et l'oxygène pour la fiabilité de la gaine 316

L'érosion-corrosion des réchauffeurs en acier inoxydable 316 dans un service d'eau à haute température commence lorsque la vitesse d'écoulement et le niveau d'oxygène dissous ne sont pas suffisants pour permettre la création d'une couche passive stable. Dans l'eau propre contenant plus de 5 ppm d'oxygène dissous, des vitesses d'écoulement allant jusqu'à 5 m/s sont autorisées. La vitesse maximale à l'oxygène dissous 2-5 ppm chute à 3-4 m/sec. La perte de métal se produit à des taux accélérés à des vitesses supérieures à 1 m/sec et à une teneur en oxygène dissous inférieure à 2 ppm. Les particules en suspension abaissent les vitesses autorisées d'un facteur de 2 à 3. 316 Pour les vitesses d'écoulement, les lectures d'oxygène dissous et par rapport aux seuils indiqués dans le tableau ci-dessus, les gaines destinées aux systèmes de circulation par pompage doivent être mesurées ou calculées localement au niveau de la surface chauffante. L'approche proposée ici permet aux acheteurs de concevoir des conditions d'écoulement qui soutiennent le revêtement passif et évitent un amincissement prématuré des parois, en reliant l'oxygène dissous, la vitesse et la charge de particules aux taux quantitatifs d'érosion-corrosion.