تحت چه ترکیب خاصی از پتانسیل حفاظت آندی کاربردی و دمای غلاف، لوله بخاری فولادی ضد زنگ 316 در 50 درصد سود سوزآور (NaOH) در 120 درجه بدون ترک خوردگی ناشی از تنش سوزی غیرفعال می ماند

کنترل الکتروشیمیایی در پیشگیری از تردی سوزی

ترک خوردگی ناشی از تنش سوز آور (CSCC یا شکنندگی سوزاننده) یک حالت شکست مهم برای لوله های گرمایش الکتریکی غلاف فولادی ضد زنگ 316 در سرویس سود سوزآور (NaOH) در دماهای بالا (مانند اواپراتورها، متمرکز کننده ها یا بخاری های خط انتقال سوزآور) است. SCC سوز آور در محلول های NaOH داغ در دماهای بالاتر از حدود 70-80 درجه رخ می دهد و حساسیت به طور چشمگیری با دما و غلظت سوزان افزایش می یابد. این برخلاف کلرید SCC است که به ترکیب خاصی از دما و غلظت کلرید نیاز دارد. در 50% NaOH (یک غلظت معمولی صنعتی) در 120 درجه، 316 به CSCC در شرایط خوردگی آزاد بسیار حساس است و ترک‌خوردگی در چند روز تا هفته ایجاد می‌شود. CSCC را می توان با استفاده از حفاظت آندی اعمال شده (یعنی کنترل پتانسیواستاتیک فلز در ناحیه غیر فعال) کاملاً اجتناب کرد. پارامتر مهم پتانسیل اعمال شده با توجه به یک الکترود مرجع (اغلب Ag/AgCl) است. محدوده غیرفعال برای 316 در 50% NaOH در 120 درجه حدود mV200- تا +200 mV در مقابل Ag/AgCl است. ترک خوردگی در پتانسیل های کمتر از 200- میلی ولت (منطقه فعال) یا بالاتر از+200 میلی ولت (ناحیه ترانپسیو) رخ می دهد. این مقاله پنجره‌های بالقوه حفاظت آندی را برای جلوگیری از CSCC در دماها و غلظت‌های سوزاننده مختلف کمی‌سازی می‌کند.

مکانیسم ترک خوردگی ناشی از تنش سوزی و پیشگیری از آن

کاستیک SCC فولاد زنگ نزن 316 انحلال انتخابی پوشش غیرفعال در مرزهای دانه (ترک بین دانه ای در آلیاژهای پایین تر؛ ترانس دانه ای در 316 در دماهای بالاتر) تحت تنش کششی در محلول های غلیظ NaOH است. فیلم غیرفعال روی 316 در کاستیک یک فیلم هیدروکسید/اکسیدهای آهن و کروم است که فقط در یک محدوده پتانسیل محدود پایدار است. در زیر محدوده پتانسیل غیرفعال (پتانسیل منفی بالاتر) فلز به شدت خورده می شود (خوردگی عمومی). بالاتر از محدوده غیرفعال (پتانسیل های مثبت بالاتر) انحلال ترانس منفعل رخ می دهد که در آن کروم به کرومات محلول اکسید می شود (CrO4 2-) و SCC شروع می شود. یک ولتاژ آندی تنظیم شده در محدوده غیرفعال، فیلم غیرفعال را تثبیت می کند و نیروی محرکه برای شکست موضعی را حذف می کند.

پنجره‌های محافظ آندی کمی برای 50% NaOH @ 120C

محدوده غیرفعال و مرزهای ترک به عنوان تابعی از ولتاژ اعمال شده در مقابل Ag/AgCl (3M KCl) در 50% NaOH در 120 درجه با آزمایش‌های پتانسیوستاتیک کنترل‌شده فولاد زنگ نزن 316 (نمونه‌های خمشی U{4} تحت تنش کششی ثابت) تعیین شده است.

Applied Potential (mV vs. Ag/AgCl, 3M KCl) Electrochemical Region Corrosion Rate (mm/year)CSCC Initiation Time (hrs) Surface Condition 120°C 50% NaOH Service Recommended After 1000 hours Active corrosion < -400 Immediate (active) 5-10 Severe general corrosion No -400 to -250 Active/transition 1-5 10-50 Pitting + general loss No -250 to -2000Mixed (active edge) 0.5-1.0 50-200 Localised attack Not advised -200 to -150 Passive (low) 0.02-0.05 >5000 روشن، بدون حمله قابل قبول (مرز)
-150 to +100 Passive (optimum) 0.01-0.02 >10,000 روشن، منفعل بهترین +100 تا +200 غیرفعال (بالا) 0.02-0.05 2،000-5000 رنگ (ضخیم شدن اکسید) قابل قبول +200 تا +250 لبه عبوری 0.1-0.3 500-1،500 حفره خفیف حاشیه +250 غیرفعال +250} کرک توصیه نمی شود > +350 تکامل اکسیژن 1-5<100 Severe CSCC + pitting No
تأثیر غلظت سوزاننده و دما بر محدوده پتانسیل حفاظتی

پنجره پتانسیل غیرفعال با غلظت سوزاننده و دما تغییر می کند. در زیر جدولی از پتانسیل های حفاظتی توصیه شده در شرایط مختلف ارائه شده است.

NaOH Conc. (wt%) دما (درجه) محدوده غیرفعال (mV در مقابل Ag/AgCl، 3M KCl) پتانسیل حفاظتی بهینه (mV) حداقل چگالی جریان توصیه شده برای حفاظت (mA/cm2)
30 100 -300 به +50 -150 0.1 30 120 -250 به +100 -100 0.2 40 100 -250 به +100 -100 0.2 40 120 -200 به +150 -50 0.3 50 100 -200 به +150 -50 0.3 50 120 -150 به +200 0 0.5 50 140 -100 به +250 (کاهش) +50 0.8 60 100 -150 به +200 0 0.4 60 120 -100 به +250 +50 0.7 70 100 -100 به +200 (باریک) +50 0.6
مشخصات سیستم های حفاظتی عملی آندی برای 316 هیتر

پارامترهای سیستم زیر جلوگیری از CSCC قابل اعتمادی را برای بخاری های غلاف دار 316 در سرویس سوزاننده داغ با محافظت آندی ارائه می دهد:

روش تأیید مشخصات مورد نیاز پارامتر سیستم
الکترود مرجع Ag/AgCl با 3M KCl، کالیبراسیون قبل از نصب تا 120 درجه پایدار
الکترود کار (هیتر) متصل به انتهای مثبت پتانسیواستات تداوم را بررسی کنید
-الکترود شمارنده (کاتد) پلاتین یا تیتانیوم پلاتینه شده. نسبت سطح حداقل کاتد: آند 1:2
کالیبراسیون پتانسیواستات نقطه تنظیم پتانسیل -50 تا 0 میلی ولت (برای 50٪ NaOH در 120 درجه)
تحمل احتمالی ± 20 mV ثبت اطلاعات
چگالی جریان مورد نیاز 0.3-0.8 mA/cm² بسته به دما جریان اولیه در مسیر
Failsafe Interlock -If potential drifts >+250 میلی ولت یا<-250 mV, shut-down heater Alarm + shut-down
شناسایی میدانی حفاظت سوزاننده ناموفق

یک بخاری 316 با وجود محافظ آندی در عملکرد سوزاننده ترک می خورد. سه سناریوی شکست ممکن است. اول، یک رانش احتمالی به ناحیه ترانپسیو (+200 تا +350 mV) باعث ایجاد ترک‌های SCC transgranular با اکسیداسیون شدید (سطح رنگی) می‌شود. دوم، رانش بالقوه به منطقه فعال (<-200 mV) leads to widespread corrosion with pitting. Third, loss of power to the potentiostat (unprotected operation) leads to fast CSCC, with cracks developing within 50-200 hours. The cause will be determined by reviewing the log of the failed heater (if logged). Proper anodic protection can be restored by recalibrating the reference electrode, inspecting electrical connections and optionally reducing the heater power density.

نتیجه گیری: مشخصات محافظ آندی برای سرویس سوزاننده

اجتناب از ترک خوردگی تنش سوزآور بخاری های 316 فولادی ضد زنگ در 50٪ NaOH در 120 درجه تنها با حفظ پتانسیل فلزی بین -150 و +200 mV در مقابل Ag/AgCl (3M KCl)، در پنجره غیرفعال محقق می شود.