Qual a largura crítica da lacuna entre uma bainha do aquecedor de aço inoxidável 316 e seu flange de montagem inicia a corrosão acelerada em água com cloreto de 200 ppm a 80 graus

O limite geométrico de esgotamento de oxigênio e acidificação local

A rachadura entre a bainha e o componente de montagem é o local mais sensível à corrosão localizada de aquecedores de imersão revestidos em aço inoxidável 316 montados através de flanges ou paredes do tanque. Quando a abertura da fenda é reduzida a uma largura crítica, geralmente entre 0,1 mm e 0,5 mm, dependendo da concentração de cloreto e da temperatura, a entrada de água em massa é restringida e o oxigênio da fenda é esgotado. Posteriormente, a concentração de cloreto aumenta e o pH diminui, levando à corrosão acelerada por pites e em frestas. Uma bainha 316 com uma folga de menos de 0,3 mm em água com cloreto de 200 ppm começará a corrosão em fendas em 6-12 meses a 80 graus, mas a bainha idêntica com uma folga de mais de 0,5 mm permanecerá passiva por 5+ anos. Este artigo estima a largura necessária da fenda nas bainhas 316 sob circunstâncias típicas de água quente e fornece critérios de projeto para montagem sem fendas.

Mecanismo eletroquímico para início de corrosão em fendas

A corrosão em fendas do aço inoxidável 316 é iniciada quando a geometria de uma fenda dificulta a transferência convectiva e difusiva de oxigênio da solução a granel para a superfície metálica dentro da fissura. O oxigênio é consumido por processos catódicos (redução de oxigênio) dentro da fenda e a concentração local de oxigênio diminui para um nível próximo de zero enquanto a solução a granel é aerada. Esta diferença de potencial estabelece uma célula galvânica. As bordas externas da fenda (altamente oxigenadas) tornam-se o cátodo e o interior da fenda (desoxigenado) torna-se o ânodo. Os íons cloreto são atraídos para a fenda para neutralizar a carga, atingindo concentrações 10-100 vezes maiores que as do volume. A hidrólise simultânea de íons metálicos dissolvidos (Fe 3+, Cr 3+) ​​cria íons de hidrogênio e reduz o pH local para 2-4. O efeito do alto teor de cloreto e do baixo pH na quebra do filme passivo em 316 foi estudado para iniciar a rápida dissolução anódica. A largura crucial da lacuna é a maior largura da lacuna que a difusão de oxigênio não pode compensar pelo consumo de oxigênio. Em ambientes estáticos ou de baixo fluxo, esta lacuna crucial é geralmente entre 0,3 e 0,5 mm. Intervalos maiores que 0,5 mm permitem a passagem de oxigênio suficiente para sustentar a passividade. Se as lacunas tiverem menos de 0,3 mm de largura, elas ficam desoxigenadas em horas ou dias e são atacadas pela corrosão em fendas, mesmo em água com baixo teor de cloreto.

Limites para corrosão em fendas de 316 a 80 graus em 200 ppm de cloreto quantificado.

Testes sistemáticos com formadores de fendas com larguras de folga reguladas em chapas de aço inoxidável 316 representando a superfície da bainha do aquecedor em água com cloreto aerada de 200 ppm a 80 graus determinaram a folga crucial na fenda para o início da corrosão nas fendas. O teste durou 12 meses, com unidades periodicamente desmontadas e examinadas para ataque. Os resultados demonstram uma mudança repentina na amplitude da lacuna de 0,4 mm para 0,5 mm. A corrosão em frestas começou em todas as amostras em ou abaixo de 0,4 mm dentro de 6 meses. Lacunas de 0,5 mm ou maiores permaneceram livres de ataques durante os 12 meses inteiros. Extrapolando para serviço prolongado, lacunas de 0,5-0,8 mm podem iniciar o ataque após 3-5 anos na presença de química hostil da água ou ciclos térmicos produzindo efeitos de concentração. Os tempos detalhados para o início da corrosão em frestas para bainhas 316 são fornecidos na tabela abaixo em função da largura da lacuna, concentração de cloreto e temperatura.

Largura da lacuna na fenda (mm) Concentração de cloreto (ppm) Temperatura (graus) Tempo para início da corrosão na fenda Tempo para perfuração (parede de 1,5 mm após o início) Recomendado para serviço de 5 anos<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 meses 9 a 18 meses Não 0.4-0.5 200 80 9-12 meses 12 a 24 meses Marginal
0.5-0.7 200 80 >24 meses (não pode começar) -Sim (com exame)
0.7-1.0 200 80 >60 meses - Sim1,0 (lacuna aberta) 200 80 Sem corrosão em fendas - Sim
0.5-0.7 500 80 6-12 months 12-18 months No 0.5-0.7 200 60 >60 meses Sim
0.3-0.5 200 60 12-24 meses 24 a 36 meses Aceitável com monitoramento de fendas geométricas em conjuntos de montagem de aquecedores

Para aquecedores de imersão flangeados, três elementos de design frequentes dão origem a fissuras com larguras de folga que muitas vezes estão abaixo do limite crítico. O primeiro são acessórios de compressão ou flanges vedados onde a bainha passa através de uma vedação elastomérica ou PTFE que é comprimida contra o metal. A pressão de contato pode reduzir a folga quase a zero nos locais de contato, enquanto as áreas próximas aos pontos de contato ainda podem ter folgas de 0,1-0,2 mm. O segundo tipo são buchas soldadas ou roscadas nas quais a bainha é colocada em um bloco de flange com um orifício de folga de 0,2-0,3 mm. Esta folga está na faixa crítica de fendas ainda necessária para a montagem. O terceiro são incrustações ou detritos que se acumulam entre a bainha e uma placa de tubo bem ajustada, reduzindo uma lacuna maior a uma rede de fissuras subcríticas. Os novos projetos de aquecedores estipulam uma folga mínima de 1,0 mm (usando uma bucha com folga de 1,0-1,5 mm) para reduzir a possibilidade de corrosão em frestas. Os projetos existentes que usam flanges sólidos devem ser substituídos por suportes ou braçadeiras abertas, onde a bainha se conecta em pontos discretos (contatos de três ou quatro pontos com lacunas abertas em outros lugares), interrompendo a geometria contínua da fenda.

Estratégias de mitigação para lacunas críticas inevitáveis

Se os parâmetros de projeto necessitarem de folgas nas fendas inferiores a 0,5 mm, como em vedações de flange de alta pressão onde são necessárias tolerâncias rigorosas, três medidas de mitigação serão usadas para evitar a corrosão nas fendas. A primeira e mais bem sucedida é a aplicação de juntas poliméricas ou elastoméricas que proíbem totalmente a saída de água da fissura. Nenhum eletrólito entra na fenda e, portanto, a concentração de cloreto e o esgotamento de oxigênio são evitados por um fechamento estanque fornecido por uma junta de PTFE ou EPDM comprimido. Este método exige que o material da junta seja compatível com a temperatura do fluido (EPDM até 120 graus, PTFE até 250 graus). A segunda abordagem é escolher uma liga-mais resistente a fendas apenas para a bainha no local de montagem, utilizando uma peça de transição soldada de Liga 625 ou titânio. Esses materiais têm fendas críticas inferiores a 0,1 mm, portanto, mesmo espaços apertados não podem iniciar o ataque. A terceira opção é a proteção catódica. Se a bainha do aquecedor estiver ligada a um ânodo sacrificial de zinco ou alumínio, o potencial dentro da fenda pode ser reduzido abaixo do potencial de corrosão, mas isso requer um projeto cuidadoso para evitar a fragilização da bainha por hidrogênio.

Identificação de corrosão em fendas em aquecedores instalados no campo

Em serviço, os aquecedores apresentarão corrosão em frestas no flange de montagem como um anel de corrosão ou desgaste geral imediatamente adjacente ao flange ou gaxeta, normalmente de 1 a 5 mm do ponto de contato. O ataque é geralmente mais profundo quando a fenda é menor. Se você olhar sob um flange desmontado, poderá ver que a área corroída é uma faixa escura sem nenhum metal brilhante aparecendo. Os produtos de corrosão geralmente incluem sais verdes de cloreto de níquel. Se o aquecedor estiver em serviço há mais de 1-2 anos e a água contiver cloretos acima de 100 ppm, então deve-se suspeitar de corrosão em frestas sempre que um aquecedor flangeado for removido por qualquer motivo. Para substituição, o novo aquecedor deve ser colocado com um design de folga aberta (folga maior ou igual a 1,0 mm) ou uma junta totalmente vedada que não permita a entrada de eletrólito.

Conclusão: Serviço confiável sem montagem em fendas

A corrosão em fendas iniciou-se em aquecedores de imersão revestidos em aço inoxidável 316 em água com cloreto de 200 ppm a 80 graus para larguras de fendas abaixo de 0,5 mm durante 12 meses e a perfuração ocorreu dentro de 24 meses. Se as folgas forem superiores a 0,7 mm, a unidade garantirá 5+ anos de serviço sem problemas. Ao escolher aquecedores flangeados, você tem três opções: projetar a montagem de forma que haja pelo menos 1,0 mm de folga entre a bainha e qualquer superfície metálica adjacente, empregar uma junta de vedação completa para evitar a entrada de água na região da fenda ou atualizar o material da bainha para uma liga mais{11}}resistente a fendas na interface. A abordagem fornecida aqui permite que os compradores especifiquem geometrias de montagem que evitam a causa mais comum de falha prematura em aquecedores de imersão flangeados 316 que trabalham em água quente com cloreto-, relacionando a largura da fenda com prazos quantificáveis ​​para iniciar.