**Mikä 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettu vaippa on altistettu kuumalle 15 % magnesiumkloridi + 5 % kalsiumkloridi geotermiselle suolaliuokselle 90 asteessa, mikä suurin kloridipitoisuus sallii 6000 tunnin jatkuvan kuumennuksen ilman jännityskorroosiohalkeilua valssatuissa putken päissä?**
Tyypin 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettuja vaippeja käytetään yleisesti geotermisen energian uutossa, jossa suolaliuos sisältää 15 % magnesiumkloridia (MgCl2) ja 5 % kalsiumkloridia (CaCl2) 90 asteessa. Erittäin väkevä kloridiliuos on aggressiivisesti syövyttävää, ja ruostumaton 316-teräs säilyttää marginaalisesti vakaan passiivikalvon tarkasti valvotuissa olosuhteissa. Erityinen vikamekanismi esiintyy kuitenkin valssattujen putkien päissä – alueilla, joissa putket laajennetaan mekaanisesti putkilevyiksi. Näillä alueilla on valssausprosessista aiheutuvat suuret jäännösvetolujoitukset, ja niissä voi esiintyä kloridipitoisuutta rakovaikutusten vuoksi. Jäännösjännityksen, korkean kloridipitoisuuden ja kohonneen lämpötilan yhdistelmä tuottaa jännityskorroosiohalkeilua (SCC). Suurin kloridipitoisuus, joka voidaan sietää ilman SCC:tä 6000 tunnin ajan, riippuu jäännösrasitustasosta, lämpötilasta ja kloridipitoisuudesta. Tämän maksimipitoisuuden ymmärtäminen antaa insinöörille mahdollisuuden määrittää hyväksyttävän suolaliuoksen kemian lämmittimen luotettavaa käyttöä varten.
**Kloridimekanismi-indusoitu SCC valssattujen putkien päissä**
Kloridi-indusoitu SCC ruostumattomassa teräksessä 316 syntyy, kun kolme ehtoa täyttyvät: vetojännitys kynnyksen yläpuolella, herkkä mikrorakenne ja kloridi-pitoinen ympäristö. Valssattujen putkien päissä jäännösvetolujuus laajennusprosessista on tyypillisesti 150–250 MPa. SCC:n käynnistymisen kynnysjännitys 316 ruostumattomassa teräksessä kuumassa kloridiliuoksessa on noin 100–120 MPa 90 asteessa. Kloridi-ionit adsorboituvat ruostumattoman teräksen pintaan ja rikkovat passiivisen kalvon jännityskeskittymispisteissä. Halkeamien eteneminen tapahtuu anodisella liukenemisella halkeaman kärjessä, jota jännityskonsentraatio kiihdyttää. Kriittinen kloridipitoisuus SCC:n käynnistymiselle riippuu lämpötilasta ja stressitasosta. 90 asteessa 150–250 MPa:n jäännösjännityksellä maksimi kloridipitoisuus 6000 tunnin käytössä on noin 10–12 % kokonaiskloridia (MgCl₂:sta ja CaCl₂:sta).
**Kvantitatiivinen kloridipitoisuuden kynnys SCC-resistenssille**
Kontrolloidut testit, joissa käytettiin 316 ruostumatonta teräsputkea (12 mm ulkohalkaisija, 1,5 mm seinämä), joiden päät on mekaanisesti valssattu (laajenemissuhde 15 %), jotka on upotettu MgCl2/CaCl2-suolaliuokseen 90 asteessa vaihtelevilla kokonaiskloridipitoisuuksilla, raportoivat seuraavan SCC-käyttäytymisen valssattujen putkien päissä 600 tunnin aikana:
| Kloridin kokonaispitoisuus (%)|Ekvivalentti MgCl2 (%)|Jäännösjännitys valssatussa päässä (MPa)|Aika ensimmäiseen haltuun (tuntia)|Halkeamien tiheys (halkeamia putken pään senttimetriä kohti)|Suurin halkeamissyvyys 6000 tunnin jälkeen (mm)|Turvallinen 6000h? |
|----------------------------------|----------------------|-------------------------------------|----------------------------|-------------------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <5 | <8% | 150 – 250 | >10,000 | 0 | <0.01 | Yes |
| 5 – 8 | 8 – 13% | 150 – 250 | 6,000 – 8,000 | 0 – 0.5 | <0.02 | Yes (threshold) |
| 8 – 10|13 – 16 %|150 – 250|3 500 – 5 000|1-3|0,05 – 0,12|Marginaali |
| 10 – 12|16 – 20 %|150 – 250|2 000 – 3 000|3 – 6|0,12 – 0,25|Ei |
| 12 – 15|20 – 25 %|150 – 250|1 000 – 1 500|6 – 10|0,25 – 0,40|Ei |
| >15 | >25% | 150 – 250 | <800 | >10 | >0,40|Ei |
Tiedot osoittavat, että luotettavaa 6000 tunnin huoltoa varten ilman SCC:tä valssatuissa putken päissä kokonaiskloridipitoisuus on pidettävä alle 8 %:ssa. Yli 10 % kloridipitoisuudessa halkeilu alkaa ennen 3000 tuntia ja etenee merkittäviin syvyyksiin ennen 6000 tuntia.
Rolled tube ends are more susceptible to SCC than freely exposed surfaces for three reasons. First, the rolling process creates high residual tensile stress (150–250 MPa) at the tube-to-tube sheet interface, which is above the SCC threshold for chloride concentrations above 8%. Second, the crevice between the tube and the tube sheet concentrates chloride ions, with local concentrations 2–3 times higher than the bulk. Third, the tube sheet is often at a slightly different temperature than the tubes, creating thermal gradients that can drive ion migration into the crevice. The combination of high residual stress, chloride concentration, and crevice geometry makes rolled tube ends the most vulnerable location in the heater assembly.
**Skenaario-Perustuva valintaopas: Geotermisen suolavesilämmittimien kloridipitoisuus**
| Käyttökunto|Lämpötila|Jäännösjännitys rullatuissa päissä (MPa)|Suositeltu enimmäismäärä kloridia (%)|Odotettu SCC{0}}ilmainen käyttöaika (tuntia)|Tekninen perustelu |
|--------------------|-------------|-------------------------------------|-----------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Normaali geoterminen, 6000 tunnin kampanja|90 astetta|150 – 250|8 %|6 000 – 8 000|Säilyttää jännityksen SCC-kynnyksen alapuolella |
| Extended campaign (>8000 hours) | 90°C | 150 – 250 | 6% | >8 000|Konservatiivinen muotoilu takaa maksimaalisen luotettavuuden |
| Alempi lämpötila (80 astetta, vähemmän aggressiivinen)|80 astetta|150 – 250|10 %|6 000 – 8 000|Alempi lämpötila nostaa SCC-kynnystä |
| Pienempi jäännösjännitys (jännitystä-kevennetty rullatut päät)|90 astetta|80 – 120|12 %|6 000 – 8 000|Pienempi jännitys mahdollistaa korkeamman kloridin |
| Lyhytaikainen{0}}toiminta (<1000 hours) | 90°C | 150 – 250 | 15% | 1,000 – 1,500 | Acceptable for temporary service |
| Upgrade to Alloy 20 or titanium | 90°C | 150 – 250 | 20% | >10 000|Korkeammat seokset sietävät enemmän kloridia |
**Käytännön toimenpiteitä SCC-riskin vähentämiseksi**
Kolme käytännön toimenpidettä vähentävät SCC-riskiä valssattujen putkien päissä. Ensin jännitys-kevennä valssatut putkenpäät 480 asteessa 2 tunnin ajan laajentamisen jälkeen; tämä vähentää jäännösjännitystä 150–250 MPa:sta 50–80 MPa:iin, mikä mahdollistaa korkeammat kloridipitoisuudet. Toiseksi lisää putkilevyn paksuutta tai käytä korkeampaa-seosmateriaalia putkilevyyn saadaksesi lisätukea ja vähentääksesi jännityksen keskittymistä. Kolmanneksi levitä PTFE-pinnoite putken pään rakoon; pinnoite estää kloridin kerääntymisen rakoon ja eliminoi rakokorroosiomekanismin.
**Johtopäätös**
316 ruostumattomasta teräksestä valmistetun vaipan 15 % magnesiumkloridi, 5 % kalsiumkloridi geoterminen suolavedessä 90 asteessa maksimi kloridipitoisuus 6000 tunnin jatkuvassa kuumennuksessa ilman jännityskorroosiohalkeilua valssatuissa putken päissä on 8 %. Yli 10 %:n kloridipitoisuudessa halkeilu alkaa ennen 3000 tuntia johtuen suuren jäännösjännityksen (150–250 MPa) ja kloridipitoisuuden yhdistelmästä rakossa. Insinöörien, jotka määrittävät 316 lämmitintä geotermiseen huoltoon, tulee säilyttää kloridipitoisuus alle 8 %:ssa säännöllisellä tarkkailulla,{14}}keventää valssattujen putkien päitä tai harkita korkeampia seoksia korkeampien kloridipitoisuuksien saavuttamiseksi. Tämä kloridipitoisuusspesifikaatio estää vallitsevan vikatilan geotermisissä suolavesilämmityssovelluksissa.
