溶存酸素レベルと流速の具体的な組み合わせによって、316 ステンレス鋼のヒーター シースは高温水中で受動態から浸食-腐食-に移行します

故障メカニズムとしての不動態皮膜の機械的除去

316 ステンレス鋼で覆われ、懸濁物質を含む高温水 (80-100 度) に浸漬された、または高流速で操作された電熱管のエロージョン-腐食。不動態皮膜は、溶存酸素レベルと流体速度の組み合わせに応じて、無傷であるか、または浸食-腐食によって機械的に除去されます。不動態層は除去されるとすぐに再形成され、腐食速度は臨界しきい値の下で年間 0.05 mm 未満です。-臨界速度を超えると、機械的除去速度が再不動態化速度を上回り、金属の損失は年間 1 ～ 5 mm に加速され、これは厚さ 1.5 mm の壁に 3 ～ 18 か月で穴を開けるのに十分です。この論文では、316 個のシースにおけるエロージョン腐食開始の溶存酸素-速度のしきい値を推定し、信頼性の高いサービスのための流体力学設計のアドバイスを示します。

電気化学-機械的結合のメカニズム

水中での 316 ステンレス鋼の浸食腐食には 3 つのものが必要です。1 つはせん断応力を生成する金属表面上を流れる流体、陰極活性を維持するのに十分な溶存酸素、そして不動態皮膜を機械的に乱す可能性がある浮遊研磨粒子または高速気泡のいずれかです。-高速で粒子のないきれいな水中では、せん断力 (最大 10 ～ 20 Pa) のみが膜の接着強度を超えないため、不動態膜はそのままの状態を保つことができます。ただし、溶存酸素が約 2 ppm になると再不動態化速度が低下し、軽度のせん断応力でも安定した膜形成が妨げられる可能性があります。一方、溶存酸素含有量が高い (5 ppm 以上) と、再不動態化が速く、膜はより大きな速度に耐えることができます。最悪の条件は中間の酸素レベル (0.5 ～ 2 ppm) で、再不動態化は緩やかですが、地金部位での陽極溶解を促進するのに十分な陰極電流が存在します。

定量化された侵食-90℃での腐食閾値 316

90 度の水（pH 7.5、塩化物 100 ppm）中で 316 ステンレス鋼試験片を使用したフロー ループおよび回転シリンダー電極テストにより、年間 0.1 mm を超える浸食-腐食速度をもたらす流速と溶存酸素の組み合わせが体系的に決定されました。

溶存酸素 (ppm) 流速 (m/s) 浮遊物質 (ppm、50 µm シリカ) 侵食-腐食速度 (mm/年) |穿孔までの時間 (壁 1.5 mm) 推奨メカニズム<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 年侵食-腐食お勧めできません
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 年 侵食-腐食性長期的には推奨されない
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 年混合対照 推奨されません
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年 エロージョン・コロージョン 許容不可<0.5 Any 0 >0.50 <3 years Active corrosion (deaerated) Unacceptable >5 2-3 100 0.15-0.30 5-10 年 粒子浸食 低速では許容可能 5 3-5 100 0.30-0.70 2-5 年 極度の浸食 推奨しない 5 5-8 100 0.70-2.00 1-2 年 許容不可 いいえ
気泡の衝突と浮遊物質の影響

浮遊固体は侵食{0}}速度のしきい値を大幅に低下させます。 2 ～ 3 m/s という低い流速では、100 ppm の硬く角張った粒子 (砂やシリカなど) を含む水は 316 の不動態皮膜を侵食する可能性があり、その結果、同じ流速のきれいな水よりも金属損失率が 3 ～ 5 倍大きくなります。ヒーター シースにとって最も有害な状況は、均一な流れではなく、流れが加速して粒子が表面に衝突する曲がり角、エルボ、またはサーモウェルの上流での局所的な衝突です。気泡（キャビテーションまたはフラッシングによる）も同様に浸食損傷を引き起こします。アプリケーションに既知の浮遊粒子がある場合、316 シースの推奨最大流速は、溶存酸素レベルに関係なく 1.5 ～ 2.0 m/秒に低下します。

高流量サービスのための実用的な設計の推奨事項

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) および低溶存酸素 (< 2 ppm) are unavoidable in the system, then duplex 2205 stainless steel or Alloy 625 should be considered for upgrade.

エロージョン・コロージョン損傷の現場認識

高流量サービスにおけるヒーターの浸食{0}腐食に特徴的な表面の特徴は、孔食や隙間腐食の特徴とは異なります。-損傷領域は通常、滑らかで、磨かれているか、または「ウォーターカット」のように見え、多くの場合、流れの方向に平行な方向を向いた溝（馬蹄形または彗星形の穴）があります。-金属の損失は、1 つの穴に集中するのではなく、損傷した領域全体に広がります。そして、高倍率で見ると、表面には塑性変形と金属の汚れが見られ、SCC の結晶ファセットや塩化物ピッチングの円形ピットは見られません。速度が 3m/s を超え、溶存酸素が 2 ppm 未満の水中でヒーターを 1 ～ 2 年以上使用した場合は、浸食-腐食が疑われる必要があります。交換するには、ヒーター位置の流速を測定し、上表の安全領域内に収まるように下げる必要があります。

結論: 316 シースの信頼性を高めるために流量と酸素を制御する

高温水道施設における 316 ステンレス鋼製ヒーターのエロージョン-腐食は、流速と溶存酸素レベルが安定した不動態層の形成を可能にするのに十分でない場合に始まります。溶存酸素が 5 ppm を超えるきれいな水では、流速は 5 m/s まで許容されます。溶存酸素 2-5 ppm での最大速度は 3 ～ 4 m/秒に低下します。金属の損失は、溶存酸素が 2 ppm 未満の場合、1 m/秒を超える速度で加速的に発生します。浮遊粒子は許容速度を 2 倍に下げて 3. 316 にします。流速、溶存酸素の読み取り値、および上の表に示されているしきい値と比較する場合、ポンプ循環システム用に指定されたシースは、加熱面で局所的に測定または計算する必要があります。ここで提案されるアプローチにより、購入者は、溶存酸素、速度、粒子負荷を定量的なエロージョン・コロージョン速度に関連付けることにより、不動態コーティングを維持し、早期の壁の薄化を回避する流れ条件を設計することができます。