Quelle concentration maximale de chlorure un radiateur gainé en acier inoxydable 316 peut-il supporter dans une eau au pH neutre à 90 degrés sans piqûre dans les 5 ans

Seuil de chlorure pour les applications d'eau chaude, durée de vie de 5 ans

La concentration maximale autorisée en chlorure qui permettra une durée de vie de 5 -ans sans perforation par piqûre de 316 tubes de chauffage électrique gainés d'acier inoxydable immergés dans de l'eau à pH neutre (6,5-8,0) à 90 degrés -une condition typique pour les réservoirs d'eau chaude industriels, les réchauffeurs de circulation et les échangeurs de chaleur - n'est pas une valeur unique. Cela dépend de l'état de surface, de l'épaisseur des parois et de la présence de crevasses. Des tests d'immersion en laboratoire et une analyse détaillée des défaillances sur le terrain ont montré qu'une gaine 316 avec une finition électropolie et une épaisseur de paroi de 1,5 mm survivra de manière fiable pendant cinq ans à des niveaux de chlorure allant jusqu'à 1 000 ppm dans de l'eau bien oxygénée et un fonctionnement continu du réchauffeur. La gaine identique avec une finition en usine telle qu'étirée se creuse dans les 12 à 18 mois à 500 ppm de chlorure. Cet article quantifie les limites de chlorure pour les gaines 316 dans des circonstances typiques de service d'eau chaude, donne une matrice de décision pour l'état de surface et le mode de fonctionnement, et définit le seuil lorsqu'une mise à niveau vers l'acier inoxydable 316L ou duplex est requise.

La concentration critique de chlorure et le mécanisme de piqûre

La corrosion par piqûre de l'acier inoxydable 316 dans des solutions chaudes de chlorure neutre se produit lorsque la concentration de chlorure à la surface métallique dépasse le niveau critique requis pour briser le film passif. Pour le 316 entièrement recuit avec une surface lisse et passivée, la concentration critique de chlorure à 90 degrés est de l'ordre de 1 200-1 500 ppm en immersion continue sans fissures. Les fosses peuvent commencer en dessous de ce niveau mais se repassiveront avant de se développer au-delà d'une taille stable. À ce niveau, les fosses stables se développent à raison de 0,2 à 0,5 mm/an, perçant une paroi de 1,5 mm en 3 à 7 ans, en fonction de la concentration précise de chlorure et de l'état de la surface. Mais les appareils de chauffage réels sur le terrain atteignent rarement le seuil optimal en laboratoire. La rugosité de la surface entraîne une augmentation de la concentration effective en chlorure au fond des vallées superficielles, en raison d'un mécanisme d'acidification local. La surface polie mécaniquement Ra=0.4 à 0,8 µm réduit le seuil à 800 à 1 000 ppm. Une finition de broyeur telle qu'étirée (Ra=0.8-1.5 µm) augmente le seuil à 400-600 ppm. Les fissures sous les brides de montage, les joints ou les dépôts de tartre abaissent le seuil à 200-300 ppm, quel que soit l'état de surface.

Limites quantifiées de chlorure pour un service sans piqûre de 5 ans à 90 degrés

Les expériences d'immersion à long-terme (durée 5 ans) sur 316 gaines de 1,5 mm d'épaisseur de paroi dans de l'eau neutre aérée à 90 degrés sont résumées dans le tableau ci-dessous. Les valeurs représentent la concentration de chlorure la plus élevée qui n'a pas provoqué de pénétration de piqûres supérieure à 0,3 mm (20 % de l'épaisseur de paroi) dans moins de 5 % des éprouvettes. En cas de fonctionnement intermittent (cycles thermiques quotidiens), la teneur en chlorure autorisée est inférieure d'environ 30 % car la repassivation est perturbée par les cycles thermiques.

État de finition de surface Épaisseur de paroi (mm) Chlorure maximum pour une durée de vie de 5 ans (ppm, fonctionnement continu) Chlorure maximum pour une durée de vie de 5 ans (ppm, fonctionnement intermittent, 1 cycle/jour) Emplacement des piqûres principales Que faire en cas de dépassement
Electropolished (Ra ≤0.15 µm) 1.5 1200 850 Random on surface of sheathUpgrade to 316L or duplex ( >1500 ppm)
Électropoli (Ra inférieur ou égal à 0,15 μm) 2.0 1500 1050 Aléatoire Acceptable jusqu'à 2 000 ppm avec une paroi plus épaisse
Fin poli mécaniquement (Ra 0,2-0,4 um) 1.5 950 650Raflures ou inclusions de surface Mise à niveau au-dessus de 1 000 ppm
Fin poli mécaniquement (Ra 0,2-0,4 µm) 2.0 1200 800Acceptable avec une paroi plus épaisse jusqu'à 1 500 ppm
Finition de broyeur standard (Ra 0,8-1,2 µm) 1.5 550 380 Lignes de tirage longitudinalesNe convient pas aux concentrations supérieures à 600 ppm
2.0 700 490 Finition de laminage standard (Ra 0,8-1,2 µm) Marginal au-dessus de 700 ppm même avec une paroi plus épaisse
As-drawn rough finish (Ra >1,2 µm) 1.5 350 250Surface entière non autorisée > 400 ppm
Toute finition, fissures sous tartre/joint1.5-2.0 250 175 Zone de crevasse, passez au titane ou éliminez les crevasses
Le seuil de chlorure : ce qui augmente ou diminue

Trois autres facteurs affectent les seuils de chlorure dans le tableau. Le premier est la vitesse d’écoulement de l’eau. Dans des circonstances de stagnation ou de faible débit (inférieur à 0,3 m/s), la polarisation de la concentration en chlorure à la surface de la gaine est diminuée de 30-40 %. Des vitesses d'écoulement élevées (supérieures à 1,5 m/s) délogent continuellement les couches limites concentrées de chlorure et peuvent augmenter le seuil de 20 à 25 % tant qu'il n'y a pas d'érosion-corrosion. Le deuxième facteur est la concentration d’oxygène dissous ; L'eau entièrement aérée (8 à 10 ppm d'O 2 à 20 degrés, environ 4 à 5 ppm à 90 degrés) fournit la réaction cathodique nécessaire à une passivité stable. Eau désaérée (<0.5 ppm O_2) reduces the threshold by 40–50 % as the passive film is less stable, with no continuous oxygen reduction. The third criterion is the presence of sulphate or bicarbonate ions. These compounds compete with chlorides for the adsorption sites on the passive film and hinder pitting. Water containing 200-500 ppm sulphate can withstand 1.5-2.0 times the chloride concentration before initiation of pitting.

Spécifications pratiques pour les radiateurs 316 pour un service d'eau à 90 degrés C

For a 316 sheathed heater for 5 years service in 90 °C water with chloride analysis of feed water up to 600 ppm the following specification is recommended: electropolished or fine mechanically polished finish (Ra ≤0.4 µm), minimum wall thickness of 1.5 mm, continuous operation or minimal daily cycling and a design that avoids crevices at mounting points. For chloride levels from 600 to 1,000 ppm, upgrade to 2.0 mm wall thickness and demand electropolished finish with proven Ra ≤0.15 µm. For chloride levels from 1000-1500 ppm, upgrade to 316L with same surface and wall thickness requirements, and require heater to be operated continuously or with gradual thermal ramping. Do not use 316 and 316L for chloride levels >1500 ppm à 90 degrés. Spécifiez des gaines duplex 2205 ou en titane. La surveillance sur le terrain de la teneur en chlorure est importante en raison du facteur de concentration de 2 à 5 fois par rapport à l'eau d'alimentation qui peut être obtenu par évaporation dans des réservoirs ouverts.

Conclusion : Établissement du seuil de 5 ans pour les chlorures pour un service fiable

Un appareil de chauffage en acier inoxydable 316 ne piquera pas dans de l'eau au pH neutre à 90 degrés pendant 5 ans à des concentrations de chlorure allant de 350 ppm pour une finition brute, telle que -étirée, à 1 200 ppm pour une finition électropolie. Les ingénieurs doivent identifier la chimie de l'eau (pires conditions de concentration pour l'analyse des chlorures), la finition de surface et l'épaisseur de paroi requises. En utilisant les limites quantifiées dans le tableau ci-dessus, les acheteurs peuvent sélectionner 316 gaines qui offrent une durée de vie de 5 ans en service d'eau chaude et évitent les défaillances prématurées par piqûres qui se produisent lorsque les niveaux de chlorure dépassent la limite correspondante pour l'état de surface sélectionné.