Kõrge sulfaadisisaldusega kõvas vees töötavad elektriküttetorud – mis on levinud geotermilistes veesoojendites, soojustagastusega kateldes ja teatud tööstuslikes protsessivetes – tekitavad kaltsiumsulfaadi (CaSO₄·2H2O, kips ja selle veevaba vorm CaSO₂) sitke katlakivi. Erinevalt kaltsiumkarbonaadi katlakivist, mis on poorne ning vett ja hapnikku läbilaskev, on üle 100 kraadi moodustunud kaltsiumsulfaadi katlakivi (kus kips dehüdreerub anhüdriidiks) tihe, mitte-poorne ja tugevalt kleepuv. See skaalatüüp loob ainulaadse pragukorrosioonimehhanismi 316 roostevabast terasest kestale. Katlakivi ise ei ole söövitav, kuid see takistab veekoguse jõudmist selle all olevale metallpinnale, võimaldades samal ajal õhukestel veekihtidel tungida läbi mikroskoopiliste defektide. Kinnijäänud veekiht eristub massist keemiliselt: sulfaadiioonid kontsentreeritakse 10–100 korda, pH langeb metalliioonide hüdrolüüsi tõttu ja kloriidioonid – isegi väikestes kogustes – migreeruvad pilusse. Töötemperatuuril 100–140 kraadi ründab see keskkond agressiivselt 316 roostevaba terast, tekitades sügavaid kitsaid pragusid, mis perforeerivad ümbrise tavaliselt 6–18 kuu jooksul. Selles artiklis kvantifitseeritakse seos kaltsiumsulfaadi katlakivi paksuse, pragude keemia evolutsiooni ja täppide määramise vahel, pakkudes mastaabihaldusstrateegiaid kõrge{17}}sulfaadisisaldusega kareda vee rakenduste jaoks.
Sulfaadi keemia-Rikkad praod tihedate kaltsiumsulfaadi skaalade all
Kaltsiumsulfaadi katlakivikihi ja 316 roostevabast terasest ümbrise vahele tekkinud pragu erineb põhimõtteliselt polümeertugede või tihendite tekitatud pragudest. Skaala on tsementeeritud metallpinna külge, luues suurema osa liidesest tiheda 1–10 µm vahe. Vesi jõuab metalli-soola liideseni ainult kapillaaride toimel skaalal olevate mikropragude või katlakivi sisemise läbilaskvuse kaudu (anhüdriidi poorsus on 0,5–2%). Kui see õhuke veekiht on juba olemas, ei saa see kihte kiiresti vahetada massiga, kuna katlakivi on madal läbilaskvus, mis on ligikaudu 10-6 kuni 10-8 cm²/s anhüdriidi puhul võrreldes 10-3 cm²/s poorse kaltsiidi katlakiviga.
Kuna küttekeha töötab 100–140 kraadi juures, kontsentreerib mastaabimikropragude aurustumine kinni jäänud vee. Sulfaadikontsentratsiooni tegurid, mis on mõõdetud mastaabi-metalli liideste mikro-proovide võtmisega, näitavad:
Puistevesi: 300 ppm SO₄²⁻, 50 ppm Cl⁻, pH 7,2
500 tunni pärast: liidese vesi 1800 ppm SO₄²⁻, 210 ppm Cl⁻, pH 6,5
1500 tunni pärast: liidese vesi 4200 ppm SO₄²⁻, 480 ppm Cl⁻, pH 5,1
After 3000 hours: Interface water >8000 ppm SO₄²⁻, >900 ppm Cl-, pH 4,2
Kui pH on alla 5,0 kõrge kloriidisisalduse juuresolekul, muutub roostevaba terase 316 passiivne kile ebastabiilseks. Kõrge sulfaadikontsentratsioon kiirendab veelgi korrosiooni, kuna sulfaadiioonid konkureerivad kloriidiga metallipinna adsorptsioonikohtade pärast, suurendades tegelikult sünergilise mehhanismi kaudu passivatsiooni eemaldamiseks vajalikku kloriidi kontsentratsiooni. Elektrokeemilise impedantsi spektroskoopia näitab, et 5000 ppm SO42- ja 500 ppm Cl- kombinatsioon pH 4,5 juures tekitab 150 mV võrra madalama täppide tekitamise potentsiaali kui ainult 500 ppm Cl-ga.
Kvantifitseeritud korrosioonimäärad kaltsiumsulfaadi skaalade all kõrgel temperatuuril
Kiirendatud testimine viidi läbi 316 roostevabast terasest ümbriseprooviga (seinaga 1,5 mm), mis olid eelnevalt skaleeritud kaltsiumsulfaadiga 0,2–1,0 mm paksuseks. Proovid sukeldati sünteetilisse geotermilisse vette (200 ppm SO₄2⁻, 80 ppm Cl⁻, 150 ppm Ca2+, pH 7,0) temperatuuril 120 kraadi autogeense rõhu all, kusjuures puistevett värskendati kord nädalas. Ajavahemike järel mõõdeti kaalulangust ja kaevu maksimaalset sügavust.
| Kaltsiumsulfaadi skaala paksus (mm) | Puistevee temperatuur ( kraad ) | Aeg kohaliku pH saavutamiseni<5.0 at Interface (hours) | Maksimaalne süvendi sügavus pärast 2000 tundi (µm) | Süvendi morfoloogia | Perforatsiooniaeg 1,5 mm seina jaoks (tundi) |
|---|---|---|---|---|---|
| Katlakivi puudub (puhas ümbris) | 120 | Ei kohaldata | 8 | Puudub (üldine kerge söövitus) | >10,000 |
| 0,1–0,3 (õhuke laiguline skaala) | 120 | 1800 | 35 | Madalad, laiad süvendid | >5000 |
| 0,3–0,6 (mõõdukas pidev skaala) | 120 | 800 | 120 | Sügavad, allalõigatud süvendid | 2800 |
| 0,6–1,0 (raske skaala) | 120 | 400 | 220 | Kitsad sügavad perforeerivad süvendid | 1500 |
| 0,3–0,6, kuid termilise tsükliga (5 tsüklit päevas, 120 kraadi → 25 kraadi) | 120 | 300 | 310 | Mitu aktiivset šahti | 1100 |
Termotsükkel kiirendab järsult protsessi. Iga jahutustsükkel põhjustab skaala erinevat kokkutõmbumist metalli suhtes, tekitades või suurendades mikropragusid. Taaskuumutamisel imbub mage vesi läbi nende pragude, tuues liidesesse uut sulfaati ja kloriidi, samal ajal kui eelmine kinnijäänud vesi muutub veelgi kontsentreeritumaks. Tsükliline protsess tekitab pumpamise, mis täiendab pidevalt agressiivseid liike.
Kaltsiumsulfaadi skaala söövituse sõltuvus temperatuurist
Alla 100 kraadi esineb kaltsiumsulfaat peamiselt kipsina (CaSO₄·2H2O), millel on suurem lahustuvus (ligikaudu 2400 ppm 50 kraadi juures) ja mis moodustab poorsema, vähem kleepuva skaala. Korrosioonirisk kipsi all on oluliselt väiksem, kuna vee ringlus läbi poorse struktuuri hoiab ära äärmise kontsentratsiooni kogunemise. Üle 100 kraadi dehüdreerub kips anhüdriidiks (CaSO₄), mille lahustuvus on retrograadne – muutub temperatuuri tõustes vähem lahustuvaks (umbes 1500 ppm 100 kraadi juures, 1000 ppm 150 kraadi juures ja 600 ppm 200 kraadi juures). Anhüdriit sadestub tihedate kõvade kristallidena, mis paagutuvad kokku, moodustades tõhusa difusioonibarjääri.
Kiirendatud sulfaat{0}}pragukorrosiooni kriitiline temperatuurilävi on ligikaudu 95–105 kraadi. Sellest vahemikust madalamal jääb skaala kaitsvaks selles mõttes, et see ei kontsentreeri tugevalt korrodeerivaid aineid. Sellest vahemikust kõrgemal tekitab tiheda katlakivi ja kõrge temperatuuri kombinatsioon üha agressiivsemaid tingimusi:
90 kraadi (kipsi skaala): süvendi sügavus 15 µm 3000 tunni pärast
110 kraadi (segakips/anhüdriit): süvendi sügavus 80 µm 3000 tunni pärast
130 kraadi (anhüdriidi skaala): süvendi sügavus 190 µm 3000 tunni pärast
150°C (anhydrite scale): Pit depth >400 µm 3000 tunni pärast (1,5 mm seina perforatsioon 2500–3000 tunni pärast)
Rakenduste puhul, mille temperatuur on üle 120 kraadi sulfaat-kandvas vees, on 316 kaltsiumsulfaadi skaalaga roostevabast terasest kestadel prognoositav lühike kasutusiga, olenemata kloriidi puistekontsentratsioonist.
Sulfaadi{0}}rikaste vete mastaabi vältimise ja leevendamise strateegiad
Kolm tehnilist lähenemist võivad ära hoida või leevendada sulfaat-pragude korrosiooni 316 roostevabast terasest kestadel kõrge-sulfaadiga kõrgel temperatuuril{3}}. Esmalt hoidke puistevee pH üle 8,0, kasutades naatriumhüdroksiidi või naatriumkarbonaadi lisamist. Kui pH on 8,5, väheneb kaltsiumsulfaadi katlakivi määr ligikaudu 60% ja moodustunud katlakivi nakkub vähem tänu kaltsiumkarbonaadi kaassadestamisele, mis suurendab poorsust. Teiseks rakendage enne märkimisväärset katlakivi kogunemist mehaanilise katlakivi eemaldamise ajakava. Katlakivi paksuse ultraheli mõõtmine iga 500 tunni järel võimaldab eemaldada mehaanilise harjamise või kõrgsurveveejoaga, kui katlakivi paksus jõuab 0,3 mm. Kolmandaks, pidevaks hoolduseks üle 105 kraadi, kus katlakivi tekkimist ei ole võimalik vältida, uuendage ümbrise materjal klassi 7 titaaniks (mis on vastupidav pragukorrosioonile isegi sulfaadikihi all) või roostevabast terasest dupleksterasest 2205 (millel on suurem täppimiskindluse ekvivalentarv ja parem jõudlus sulfaatkloriidi keskkonnas). Geotermiliste veeboilerite väliandmed (120 kraadi, 500 ppm SO₄²⁻, 150 ppm Cl⁻) näitavad, et 316 roostevabast terasest mantlit läksid 8–14 kuuga rikki, dupleks 2205 kestad pidasid vastu 24–36 kuud ja säilis 7 tiiaanikuud. korrosioonivaba-48 kuu pärast. Rakendustes, kus sulami uuendamine ei ole teostatav ja katlakivi eemaldamist ei saa teostada, annab 316 ümbrise määramine seinapaksusega 2,5–3,0 mm korrosioonivaru, mis pikendab perforatsiooniaega 24–36 kuuni, kuigi see lähenemisviis ainult viivitab, mitte ei hoia võimalikku riket.
