**Σε 316 περιβλήματα από ανοξείδωτο χάλυβα εκτεθειμένα σε καυτό χλωριούχο μαγνήσιο 15% + 5% χλωριούχο ασβέστιο γεωθερμική άλμη στους 90 βαθμούς, ποια μέγιστη συγκέντρωση χλωρίου επιτρέπει 6000 ώρες συνεχούς θέρμανσης χωρίς διάβρωση λόγω καταπόνησης στα άκρα των κυλινδρικών σωλήνων;**
Τα έλυτρα από ανοξείδωτο χάλυβα τύπου 316 χρησιμοποιούνται συνήθως στην εξόρυξη γεωθερμικής ενέργειας όπου η άλμη περιέχει 15% χλωριούχο μαγνήσιο (MgCl2) και 5% χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2) στους 90 βαθμούς. Το εξαιρετικά συμπυκνωμένο διάλυμα χλωριδίου είναι επιθετικά διαβρωτικό και ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 διατηρεί ένα οριακά σταθερό παθητικό φιλμ κάτω από προσεκτικά ελεγχόμενες συνθήκες. Ωστόσο, εμφανίζεται ένας συγκεκριμένος μηχανισμός αστοχίας στα άκρα των κυλινδρικών σωλήνων - στις περιοχές όπου οι σωλήνες εκτονώνονται μηχανικά σε φύλλα σωλήνα. Αυτές οι περιοχές έχουν υψηλές υπολειμματικές τάσεις εφελκυσμού από τη διαδικασία έλασης και μπορεί να εμφανίσουν συγκέντρωση χλωρίου λόγω των φαινομένων ρωγμών. Ο συνδυασμός υπολειπόμενης τάσης, υψηλής συγκέντρωσης χλωρίου και αυξημένης θερμοκρασίας προκαλεί διάβρωση λόγω καταπόνησης (SCC). Η μέγιστη συγκέντρωση χλωρίου που μπορεί να γίνει ανεκτή χωρίς SCC για 6000 ώρες εξαρτάται από το επίπεδο υπολειπόμενης τάσης, τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση χλωρίου. Η κατανόηση αυτής της μέγιστης συγκέντρωσης επιτρέπει στους μηχανικούς να προσδιορίσουν αποδεκτή χημεία άλμης για αξιόπιστη υπηρεσία θερμαντήρα.
**Μηχανισμός χλωριδίου-Προκαλούμενο SCC στα άκρα κυλινδρικού σωλήνα**
Το SCC που προκαλείται από χλωριούχα-στο ανοξείδωτο χάλυβα 316 συμβαίνει όταν πληρούνται τρεις προϋποθέσεις: τάση εφελκυσμού πάνω από ένα όριο, ευαίσθητη μικροδομή και περιβάλλον που περιέχει-χλώριο. Στα άκρα του ελασματοποιημένου σωλήνα, η εναπομένουσα τάση εφελκυσμού από τη διαδικασία διαστολής είναι τυπικά 150–250 MPa. Η οριακή τάση για εκκίνηση SCC σε ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε θερμές άλμης χλωρίου είναι περίπου 100–120 MPa στους 90 βαθμούς. Τα ιόντα χλωρίου προσροφούνται στην επιφάνεια του ανοξείδωτου χάλυβα, σπάζοντας το παθητικό φιλμ σε σημεία συγκέντρωσης τάσης. Η διάδοση της ρωγμής συμβαίνει με ανοδική διάλυση στο άκρο της ρωγμής, που επιταχύνεται από τη συγκέντρωση τάσης. Η κρίσιμη συγκέντρωση χλωρίου για την έναρξη του SCC εξαρτάται από τη θερμοκρασία και το επίπεδο τάσης. Στους 90 βαθμούς με υπολειμματική τάση 150–250 MPa, η μέγιστη συγκέντρωση χλωρίου για 6000 ώρες σέρβις είναι περίπου 10–12% ολικό χλωρίδιο (από MgCl2 και CaCl2).
**Ποσοτικό όριο συγκέντρωσης χλωρίου για αντοχή στο SCC**
Ελεγχόμενες δοκιμές με χρήση 316 σωλήνων από ανοξείδωτο χάλυβα (12 mm OD, 1,5 mm τοίχωμα) με μηχανικά τυλιγμένα άκρα (15% αναλογία διαστολής) βυθισμένα σε άλμη MgCl2/CaCl2 στους 90 βαθμούς με μεταβαλλόμενες συγκεντρώσεις ολικού χλωρίου αναφέρουν την ακόλουθη συμπεριφορά SCC στις 60 ώρες έλασης του σωλήνα:
| Ολική συγκέντρωση χλωρίου (%)|Ισοδύναμο MgCl2 (%)|Υπολειμματική καταπόνηση στο άκρο έλασης (MPa)|Time to First Crack (ώρες)|Πυκνότητα ρωγμών (ρωγμές ανά cm άκρου σωλήνα)|Μέγιστο βάθος ρωγμής μετά από 6000h (mm)|Ασφαλές για 6000 ώρες; |
|----------------------------------|----------------------|-------------------------------------|----------------------------|-------------------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <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|Οριακή |
| 10 – 12|16 – 20%|150 – 250|2.000 – 3.000|3 – 6|0,12 – 0,25|Όχι |
| 12 – 15|20 – 25%|150 – 250|1.000 – 1.500|6 – 10|0,25 – 0,40|Όχι |
| >15 | >25% | 150 – 250 | <800 | >10 | >0,40|Όχι |
Τα δεδομένα καταδεικνύουν ότι για αξιόπιστη εξυπηρέτηση 6000 ωρών χωρίς SCC στα άκρα των κυλινδρικών σωλήνων, η συνολική συγκέντρωση χλωρίου πρέπει να διατηρείται κάτω από 8%. Πάνω από 10% χλωρίδιο, η πυρόλυση ξεκινά πριν από 3000 ώρες και εξελίσσεται σε σημαντικά βάθη πριν από 6000 ώρες.
**Γιατί τα άκρα ρολού σωλήνα είναι κρίσιμες τοποθεσίες**
Τα άκρα των κυλινδρικών σωλήνων είναι πιο ευαίσθητα στο SCC από τις ελεύθερα εκτεθειμένες επιφάνειες για τρεις λόγους. Πρώτον, η διαδικασία έλασης δημιουργεί υψηλή υπολειμματική τάση εφελκυσμού (150–250 MPa) στη διεπαφή σωλήνα-σε-σωλήνα φύλλου, η οποία είναι πάνω από το όριο SCC για συγκεντρώσεις χλωρίου άνω του 8%. Δεύτερον, η σχισμή μεταξύ του σωλήνα και του φύλλου του σωλήνα συγκεντρώνει ιόντα χλωρίου, με τοπικές συγκεντρώσεις 2-3 φορές υψηλότερες από τον όγκο. Τρίτον, το φύλλο σωλήνα είναι συχνά σε ελαφρώς διαφορετική θερμοκρασία από τους σωλήνες, δημιουργώντας θερμικές κλίσεις που μπορούν να οδηγήσουν τη μετανάστευση ιόντων στη σχισμή. Ο συνδυασμός υψηλής υπολειμματικής τάσης, συγκέντρωσης χλωρίου και γεωμετρίας ρωγμών καθιστά τα άκρα των κυλινδρικών σωλήνων την πιο ευάλωτη θέση στο συγκρότημα του θερμαντήρα.
**Σενάριο-Οδηγός επιλογής βάσει σεναρίου: Συγκέντρωση χλωρίου για θερμαντήρες γεωθερμικής άλμης**
| Κατάσταση Λειτουργίας|Θερμοκρασία|Υπολειμματική καταπόνηση στα τυλιγμένα άκρα (MPa)|Συνιστώμενο μέγιστο χλωρίδιο (%)|Αναμενόμενο SCC-Δωρεάν ζωή (ώρες)|Μηχανική αιτιολόγηση |
|--------------------|-------------|-------------------------------------|-----------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Τυπική γεωθερμία, καμπάνια 6000 ωρών|90 μοίρες|150 – 250|8%|6.000 – 8.000|Διατηρεί την πίεση κάτω από το όριο SCC |
| Extended campaign (>8000 hours) | 90°C | 150 – 250 | 6% | >8.000|Συντηρητικός σχεδιασμός για μέγιστη αξιοπιστία |
| Χαμηλότερη θερμοκρασία (80 βαθμοί , λιγότερο επιθετική)|80 μοίρες|150 – 250|10%|6.000 – 8.000|Η χαμηλότερη θερμοκρασία αυξάνει το όριο SCC |
| Χαμηλότερη εναπομένουσα καταπόνηση (απαλλαγμένη από τάσεις-εξελασμένα άκρα)|90 μοίρες|80 – 120|12%|6.000 – 8.000|Η χαμηλότερη καταπόνηση επιτρέπει υψηλότερα χλωριούχα |
| βραχυπρόθεσμη-λειτουργία (<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|Τα υψηλότερα κράματα ανέχονται υψηλότερα χλωριούχα |
**Πρακτικά μέτρα για τη μείωση του κινδύνου SCC**
Τρία πρακτικά μέτρα μειώνουν τον κίνδυνο SCC στα άκρα του κυλινδρικού σωλήνα. Αρχικά, ανακουφίστε-τα άκρα του κυλινδρικού σωλήνα στις 480 μοίρες για 2 ώρες μετά την εκτόνωση. Αυτό μειώνει την υπολειπόμενη τάση από 150–250 MPa σε 50–80 MPa, επιτρέποντας υψηλότερες συγκεντρώσεις χλωρίου. Δεύτερον, αυξήστε το πάχος του φύλλου σωλήνα ή χρησιμοποιήστε υψηλό-υλικό κράματος για το φύλλο σωλήνα για να παράσχετε πρόσθετη στήριξη και να μειώσετε τη συγκέντρωση τάσεων. Τρίτον, εφαρμόστε μια επίστρωση PTFE στη σχισμή του άκρου του σωλήνα. η επίστρωση αποτρέπει τη συγκέντρωση χλωρίου στη σχισμή και εξαλείφει τον μηχανισμό διάβρωσης της σχισμής.
**Σύναψη**
Για 316 περιβλήματα από ανοξείδωτο χάλυβα σε 15% χλωριούχο μαγνήσιο, 5% χλωριούχο ασβέστιο γεωθερμική άλμη στους 90 βαθμούς, η μέγιστη συνολική συγκέντρωση χλωρίου για 6000 ώρες συνεχούς θέρμανσης χωρίς διάβρωση λόγω τάσης στα άκρα των κυλινδρικών σωλήνων είναι 8%. Πάνω από 10% χλωρίδιο, η πυρόλυση ξεκινά πριν από 3000 ώρες λόγω του συνδυασμού υψηλής υπολειμματικής τάσης (150–250 MPa) και συγκέντρωσης χλωρίου στη σχισμή. Οι μηχανικοί που καθορίζουν 316 θερμαντήρες για γεωθερμικές υπηρεσίες θα πρέπει να διατηρούν τη συγκέντρωση χλωρίου κάτω από το 8% με τακτική παρακολούθηση, την καταπόνηση{14}}να ανακουφίζουν τα άκρα των τυλιγμένων σωλήνων ή να εξετάζουν υψηλότερα κράματα για υψηλότερες συγκεντρώσεις χλωρίου. Αυτή η προδιαγραφή συγκέντρωσης χλωρίου αποτρέπει τον κυρίαρχο τρόπο αστοχίας σε εφαρμογές θέρμανσης με γεωθερμική άλμη.
