316 ステンレス鋼のヒーター シースとその取り付けフランジの間の重大な隙間ギャップ幅は、80 度の 200 ppm の塩化物水中で加速孔食を開始します。

酸素欠乏と局所酸性化の幾何学的限界

シースと取り付けコンポーネントの間の亀裂は、フランジまたはタンク壁を通して取り付けられた 316 ステンレス鋼製浸漬ヒーターの局部腐食が最も起こりやすい場所です。隙間ギャップが臨界幅（塩化物濃度と温度に応じて通常 0.1 mm ～ 0.5 mm）まで減少すると、大量の水の侵入が制限され、隙間から酸素が枯渇します。その後、塩化物濃度が増加し、pH が低下し、孔食や隙間腐食が促進されます。 200 ppm の塩化物水中で隙間ギャップが 0.3 mm 未満の 316 シースは、80 度で 6 ～ 12 か月で隙間腐食が始まりますが、隙間ギャップが 0.5 mm を超える同一のシースは 5+ 年間不動態のままです。この記事では、典型的な熱水環境下で 316 シースに必要な隙間ギャップ幅を推定し、隙間のない取り付けのための設計基準を示します。

隙間腐食が始まる電気化学的メカニズム

316 ステンレス鋼の隙間腐食は、隙間の形状がバルク溶液から亀裂内の金属表面への酸素の対流および拡散移動を妨げたときに始まります。酸素は隙間内部の陰極プロセス (酸素還元) によって消費され、バルク溶液が曝気されている間、局所的な酸素濃度はほぼゼロ レベルまで低下します。この電位差によりガルバニ電池が確立されます。隙間の外側の境界（高度に酸素化された）はカソードになり、隙間の内部（脱酸素化）はアノードになります。塩化物イオンは隙間に引き込まれて電荷を中和し、バルク中の濃度の 10- 100 倍の濃度に達します。溶解した金属イオン (Fe 3+ 、Cr 3+ ) の同時加水分解により水素イオンが生成され、局所の pH が 2-4 まで低下します。急速な陽極溶解を開始するために、316 の不動態皮膜の破壊に対する高塩化物と低 pH の影響が研究されました。重要なギャップ幅は、酸素の拡散では酸素消費を補うことができない最大のギャップ幅です。静的または低流量設定では、この重要なギャップは通常 0.3 ～ 0.5 mm です。 0.5 mm より大きい隙間では、不動態を維持するのに十分な酸素の通過が可能になります。隙間の幅が 0.3 mm 未満の場合、数時間から数日以内に酸素が失われ、低塩化物水中でも隙間腐食が発生します。

200 ppm の塩化物中での隙間腐食のしきい値は 80 度で 316 と定量化されました。

80度の200ppm塩化物を通気した中でのヒーターシース表面を表す316ステンレス鋼シート上で、ギャップ幅を調整した隙間形成器を使用した体系的な試験により、隙間腐食の開始に重要な隙間ギャップが決定されました。テストは 12 か月にわたって行われ、定期的にユニットが分解され、攻撃がないか検査されました。結果は、ギャップの幅が 0.4 mm から 0.5 mm に突然変化したことを示しています。すきま腐食は、6 か月以内にすべての試験片で 0.4 mm 以下で始まりました。 0.5 mm 以上の隙間は、12 か月間攻撃を受けませんでした。長期間の使用に当てはめると、0.5 ～ 0.8 mm のギャップは、有害な水の化学反応や熱サイクルの存在下で 3 ～ 5 年後に攻撃を開始し、濃度効果が生じる可能性があります。 316 のシースのすきま腐食が始まる詳細なタイミングを、ギャップ幅、塩化物濃度、温度の関数として以下の表に示します。

隙間ギャップ幅 (mm) 塩化物濃度 (ppm) 温度 (度) 隙間腐食の開始までの時間 穴あきまでの時間 (開始後 1.5 mm の壁) 5 年間のサービスを推奨<0.1 (tight contact) 200 80 <1 month 3-6 months No 0.1-0.2 200 80 1-3 months 3-6 monthsNo 0.2-0.3 200 80 3-6 months 6-12 months No
0.3-0.4 200 80 6-9 か月 9 ～ 18 か月 いいえ 0.4-0.5 200 80 9-12 か月 12 ～ 24 か月 限界
0.5-0.7 200 80 >24 か月 (開始できない場合もあります) -はい (試験あり)
0.7-1.0 200 80 >60 か月 - はい 1.0 (オープンギャップ) 200 80 隙間腐食なし - はい
0.5-0.7 500 80 6-12 months 12-18 months No 0.5-0.7 200 60 >60ヶ月 はい
0.3-0.5 200 60 12-24 か月 24 ～ 36 か月 ヒーター取り付けアセンブリの幾何学的隙間の監視で許容可能

フランジ付き浸漬ヒーターの場合、3 つの頻繁な設計要素により、ギャップ幅が臨界しきい値を下回る亀裂が発生することがよくあります。 1 つ目は、金属に対して圧縮されるエラストマーまたは PTFE シールをシースが通過する圧縮フィッティングまたはガスケット付きフランジです。接触圧力により、接触部位の隙間はほぼゼロになりますが、接触点に隣接する領域には依然として 0.1-0.2 mm の隙間が存在する可能性があります。 2 番目の種類は、シースが 0.2 ～ 0.3 mm のクリアランス ホールを備えたフランジ ブロックに挿入される溶接またはねじ付きブッシュです。このクリアランスは重要な隙間の範囲内ですが、組み立てには必要です。 3 つ目は、シースとぴったりとフィットするチューブシートの間にスケールや破片が蓄積し、亜臨界亀裂のネットワークへの大きな隙間を減少させます。新しいヒーター設計では、隙間腐食の可能性を減らすために、最小ギャップを 1.0 mm と規定しています (クリアランス 1.0 ～ 1.5 mm のブッシングを使用)。ソリッドフランジを使用する既存の設計は、オープンサポートブラケットまたはクランプに置き換える必要があり、シースが離散的なスポット（他の場所にオープンギャップのある3つまたは4つの点接触）で接続され、連続的な隙間の形状が破壊されます。

避けられない重大なギャップに対する緩和戦略

厳密な公差が要求される高圧フランジシールなど、設計パラメータで隙間ギャップを 0.5 mm 未満にする必要がある場合、隙間腐食を防ぐために 3 つの緩和策が使用されます。最初で最も成功したのは、亀裂からの水の侵入を完全に防ぐポリマーまたはエラストマーのガスケットを適用することです。電解液が隙間に入らないため、圧縮 PTFE または EPDM ガスケットによる水密閉鎖によって塩化物濃度と酸素の欠乏が回避されます。この方法では、ガスケットの材質が流体温度 (EPDM は 120 度まで、PTFE は 250 度まで) に適合する必要があります。 2 番目のアプローチは、合金 625 またはチタンの溶接トランジションピースを利用して、取り付け部位のシースのみに耐隙間性の高い合金を選択することです。{7}これらの材料の重大な隙間ギャップは 0.1 mm 未満であるため、隙間が狭い場合でも攻撃を開始することはできません。 3 番目のオプションは陰極防食です。ヒーターのシースが亜鉛またはアルミニウムの犠牲陽極に接合されている場合、隙間内の電位を孔食電位よりも低くすることができますが、これにはシースの水素脆化を避けるための慎重な設計が必要です。

現場に設置されたヒーターの隙間腐食の特定

使用中のヒーターは、フランジまたはガスケットのすぐ隣、通常は接触点から 1 ～ 5 mm のところで、リング状の孔食または一般的な消耗として取り付けフランジの隙間腐食を示します。通常、隙間のギャップが最も小さい場合、攻撃は最も深くなります。分解されたフランジの下を見ると、腐食領域が暗い穴の開いた帯であり、明るい金属が見えていないことがわかります。腐食生成物には通常、緑色の塩化ニッケル塩が含まれます。ヒーターが 1 ～ 2 年以上使用されており、水に 100 ppm を超える塩化物が含まれている場合は、何らかの理由でフランジ付きヒーターを取り外すときは常に隙間腐食を疑う必要があります。交換するには、新しいヒーターをギャップオープン設計 (1.0 mm 以上のクリアランス) または電解液の浸入を許さない完全に密閉されたガスケットを使用して配置する必要があります。

結論: 隙間取り付けのない信頼性の高いサービス

316 ステンレス鋼で覆われた浸漬ヒーターを 80 度の 200 ppm 塩化水に浸漬したところ、隙間ギャップ幅が 0.5 mm 未満の場合、12 か月以内に隙間腐食が発生し、24 か月以内に穴が発生しました。隙間が 0.7 mm を超える場合、ユニットは 5+ 年間のトラブルのないサービスを保証します。フランジ付きヒーターを選択する場合、3 つのオプションがあります。シースと隣接する金属表面の間に少なくとも 1.0 mm の隙間があるようにマウントを設計するか、隙間領域に水が浸入するのを防ぐために完全に密閉されたガスケットを採用するか、界面でシースの材質をより耐隙間性の高い合金にアップグレードするかです。{11}}ここで示すアプローチにより、購入者は、隙間ギャップの幅を定量化可能な開始時間枠に関連付けることにより、塩化物を含む熱水で動作するフランジ付き 316 浸漬ヒーターの早期故障の最も一般的な原因を回避する取り付け形状を指定できます。-