** 316 nerūdijančio plieno apvalkalų, veikiamų karštu 15 % magnio chlorido + 5 % kalcio chlorido geoterminiu sūrymu 90 laipsnių temperatūroje, kokia maksimali chlorido koncentracija leidžia 6 000 valandų nepertraukiamai kaitinti be įtempių korozijos įtrūkimų valcuotų vamzdžių galuose?**
316 tipo nerūdijančio plieno apvalkalai dažniausiai naudojami geoterminės energijos gavybai, kai sūryme yra 15% magnio chlorido (MgCl2) ir 5% kalcio chlorido (CaCl2) 90 laipsnių temperatūroje. Labai koncentruotas chlorido tirpalas yra agresyviai korozinis, o 316 nerūdijantis plienas išlaiko šiek tiek stabilią pasyvią plėvelę kruopščiai kontroliuojamomis sąlygomis. Tačiau specifinis gedimo mechanizmas atsiranda valcuotų vamzdžių galuose – vietose, kur vamzdžiai mechaniškai išplečiami į vamzdžių lakštus. Šiose srityse yra didelis liekamasis tempimo įtempis dėl valcavimo proceso ir gali susikaupti chloridas dėl įtrūkimų. Liekamojo įtempio, didelės chlorido koncentracijos ir aukštesnės temperatūros derinys sukelia įtempių korozijos įtrūkimą (SCC). Didžiausia chlorido koncentracija, kurią galima toleruoti be SCC 6000 valandų, priklauso nuo liekamojo įtempio lygio, temperatūros ir chlorido koncentracijos. Suprasdami šią didžiausią koncentraciją, inžinieriai gali nurodyti priimtiną sūrymo chemiją, kad būtų užtikrintas patikimas šildytuvo aptarnavimas.
**Chlorido{0}}sukeltas SCC mechanizmas valcuotų vamzdžių galuose**
Chloro -sukeltas SCC 316 nerūdijančiame pliene atsiranda, kai įvykdomos trys sąlygos: tempiamasis įtempis virš slenksčio, jautri mikrostruktūra ir chlorido{2}}turinti aplinka. Valcuotų vamzdžių galuose liekamasis tempimo įtempis, atsirandantis dėl plėtimosi proceso, paprastai yra 150–250 MPa. Slenkstinis SCC inicijavimo įtempis 316 nerūdijančio plieno karštuose chlorido sūrymuose yra maždaug 100–120 MPa 90 laipsnių kampu. Chlorido jonai adsorbuojasi ant nerūdijančio plieno paviršiaus, suardydami pasyviąją plėvelę įtempių koncentracijos taškuose. Plyšys plinta anodiniu tirpimu plyšio gale, kurį pagreitina įtempių koncentracija. Kritinė chlorido koncentracija SCC inicijavimui priklauso nuo temperatūros ir įtempio lygio. Esant 90 laipsnių kampui su 150–250 MPa liekamuoju įtempimu, maksimali chlorido koncentracija 6000 valandų eksploatavimui yra maždaug 10–12 % bendro chlorido (iš MgCl₂ ir CaCl₂).
**Kiekybinė chlorido koncentracijos slenkstis atsparumui SCC**
Kontroliuojami bandymai, naudojant 316 nerūdijančio plieno vamzdžių (12 mm OD, 1,5 mm sienelė) su mechaniškai valcuotais galais (15 % plėtimosi koeficientas), panardintus į MgCl2/CaCl₂ sūrymą 90 laipsnių kampu su kintančia bendra chlorido koncentracija, rodo tokį SCC elgesį valcavimo vamzdžio galuose per 6000 val.
| Bendra chlorido koncentracija (%)|Ekvivalentas MgCl₂ (%)|Liekamoji įtampa susuktame gale (MPa)|Laikas iki pirmojo įtrūkimo (valandos)|Įtrūkimų tankis (įtrūkimai vienam vamzdžio galo cm)|Didžiausias įtrūkimo gylis po 6000h (mm)|Saugu 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|Ribinis |
| 10 – 12|16 – 20 %|150 – 250|2 000 – 3 000|3 – 6|0,12 – 0,25|Ne |
| 12 – 15|20 – 25 %|150 – 250|1 000 – 1 500|6 – 10|0,25 – 0,40|Ne |
| >15 | >25% | 150 – 250 | <800 | >10 | >0,40|Ne |
Duomenys rodo, kad norint patikimai aptarnauti 6000 valandų be SCC valcuotų vamzdžių galuose, bendra chlorido koncentracija turi būti mažesnė nei 8%. Jei chlorido kiekis viršija 10 %, įtrūkimai prasideda prieš 3000 valandų ir progresuoja iki reikšmingo gylio prieš 6000 valandų.
**Kodėl valcuotų vamzdžių galai yra kritinės vietos**
Valcuoti vamzdžių galai yra labiau jautrūs SCC nei laisvai atviri paviršiai dėl trijų priežasčių. Pirma, valcavimo procesas sukuria didelį liekamąjį tempimo įtempį (150–250 MPa) vamzdžio -su Antra, plyšyje tarp vamzdžio ir vamzdelio lakšto koncentruojami chlorido jonai, kurių vietinė koncentracija yra 2–3 kartus didesnė nei masės. Trečia, vamzdžio lakšto temperatūra dažnai yra šiek tiek kitokia nei vamzdžių, todėl susidaro šiluminiai gradientai, kurie gali paskatinti jonų migraciją į plyšį. Dėl didelio liekamojo įtempio, chlorido koncentracijos ir plyšių geometrijos suvynioti vamzdžių galai yra pažeidžiamiausia šildytuvo agregato vieta.
**Scenarijus{0}}Pagrįstas atrankos vadovas: chlorido koncentracija geoterminiuose sūrymo šildytuvuose**
| Eksploatacijos būklė|Temperatūra|Liekamoji įtampa susuktuose galuose (MPa)|Rekomenduojamas didžiausias chlorido kiekis (%)|Numatomas SCC{0}}nemokamas gyvenimas (valandomis)|Inžinerinis pagrindimas |
|--------------------|-------------|-------------------------------------|-----------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Standartinė geoterminė, 6000 valandų kampanija|90 laipsnių|150 – 250|8 %|6 000 – 8 000|Išlaiko įtempį žemiau SCC slenksčio |
| Extended campaign (>8000 hours) | 90°C | 150 – 250 | 6% | >8000|Konservatyvus dizainas, užtikrinantis maksimalų patikimumą |
| Žemesnė temperatūra (80 laipsnių, mažiau agresyvi)|80 laipsnių|150 – 250|10 %|6 000 – 8 000|Žemesnė temperatūra padidina SCC slenkstį |
| Mažesnis liekamasis įtempis (įtempimas-atsiliepęs suvynioti galai)|90 laipsnių|80 – 120|12 %|6 000 – 8 000|Mažesnis įtempis leidžia daugiau chlorido |
| Trumpalaikė{0}}operacija (<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|Aukštesni lydiniai toleruoja didesnį chlorido kiekį |
**Praktinės priemonės SCC rizikai sumažinti**
Trys praktinės priemonės sumažina SCC riziką valcuotų vamzdžių galuose. Pirma, 2 valandas po išsiplėtimo sumažinkite įtempį-valcuotus vamzdžių galus 480 laipsnių kampu; tai sumažina liekamąjį įtempį nuo 150–250 MPa iki 50–80 MPa, todėl chlorido koncentracija yra didesnė. Antra, padidinkite vamzdžio lakšto storį arba naudokite aukštesnio -lydinio medžiagą, kad suteiktumėte papildomą atramą ir sumažintumėte įtempių koncentraciją. Trečia, vamzdžio galo plyšį užtepkite PTFE danga; danga apsaugo nuo chlorido koncentracijos plyšyje ir pašalina plyšio korozijos mechanizmą.
**Išvada**
316 nerūdijančio plieno apvalkalų 15% magnio chlorido, 5% kalcio chlorido geoterminiame sūryme 90 laipsnių temperatūroje didžiausia bendra chlorido koncentracija 6000 valandų nuolatinio kaitinimo be įtempių korozijos įtrūkimų valcuotų vamzdžių galuose yra 8%. Virš 10 % chlorido, įtrūkimai prasideda prieš 3000 valandų dėl didelio liekamojo įtempio (150–250 MPa) ir chlorido koncentracijos plyšyje derinio. Inžinieriai, nurodantys 316 geoterminėms paslaugoms skirtus šildytuvus, turėtų palaikyti mažesnę nei 8 % chlorido koncentraciją, reguliariai stebint,{14}}atleisti įtempimus suvyniotus vamzdžių galus arba apsvarstyti galimybę naudoti aukštesnius lydinius, kad būtų didesnė chlorido koncentracija. Ši chlorido koncentracijos specifikacija apsaugo nuo dominuojančio gedimo režimo geoterminio sūrymo šildymo sistemose.
