Problematiek rond het gebruik van roestvast staal in warmtewisselaars

Warmtewisselaars worden voor zeer uiteenlopende industriële processen toegepast en ze komen in aanraking met een veelheid aan milieus, die niet zelden corrosief blijken te zijn. Nog afgezien van de teruggang in warmteoverdragend vermogen, dat kan worden veroorzaakt door neerslagvorming van corrosieprodukten op het verwarmde oppervlak zal voortdurende corrosie tenslotte leiden tot algehele ineenstorting van het betreffende apparaat. Materialen voor warmtewisselaars dienen niet alleen op hun warmteoverdragend vermogen te worden geselecteerd, maar in geval van een corrosief milieu ook op hun corrosievastheid.

S.H.M. Vrijhoeven

(artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 8, 1991- artikel 138)

Inleiding

Bij de materiaalkeuze van warmtewisselaars spelen afgezien van het warmtegeleidingsvermogen van een materiaal, ook prijstechnische en produktzuiverheidsoverwegingen een rol. Soms zijn deze overwegingen doorslaggevend bij een bepaalde keuze. Als de te verwerken media niet corrosief zijn voor koolstofstaal, dan is er vrijwel niets dat het gebruik van dit materiaal in de weg staat. Soms ligt de nadruk op een zo hoog mogelijk warmtegeleidingsvermogen en dan is koper een goede keus. In geval van een pijpenwarmtewisselaar kunnen zowel de mantel als de pijpenplaat van koolstofstaal worden gemaakt en de pijpen van koper. Voorwaarde is dan wel dat het medium dat met beide materialen in aanraking komt een laag elektrisch geleidingsvermogen heeft, omdat er anders galvanische corrosie optreedt tussen het staal en het koper. Het staal gaat hierbij corroderen hetgeen de troosteloze aanblik van afbeelding 1 oplevert.

Afbeelding 1. Gecorrodeerd C-staal t.g.v. galvanische corrosie door contact met een koperen pijpenbundel.

Pijpenwarmtewisselaars

In artikelen elders in deze uitgave wordt dieper ingegaan op dit soort warmtewisselaars. Hier beperken wij ons tot enkele metaalkundige aspecten van deze apparaten. Een warmtewisselaar moet soms voldoen aan tegenstrijdige eisen. Zo moet hij optimale warmte-overdracht paren aan een zo lang mogelijke economische gebruiksduur. Dit betekent dat er een materiaal moet worden gekozen dat beschikt over de nodige corrosievastheid in de te verwerken milieus. Het gebruik van koolstofstaal wordt problematisch als aan de te verwerken milieus geen corrosiewerende middelen (inhibitoren) kunnen worden toegevoegd of als er geen gelegenheid is voor het geven van afdoende kathodische bescherming. Er zal dan direct moeten worden gegrepen naar een corrosievaster materiaal. De materiaalsoorten die dan in aanmerking komen zijn koper en de daarvan afgeleide legeringen, aluminium en de daarvan afgeleide legeringen, roestvast staal, titaan, tantaal en superlegeringen. In dit artikel zal de aandacht gericht zijn op roestvast staal.

Roestvast staal

Het komt relatief vaak voor, dat van een pijpenwarmtewisselaar de pijpen zijn gemaakt van een bepaald type roestvast staal, de pijpenplaat hetzij van roestvast staal hetzij van koolstofstaal en de mantel vrijwel altijd van koolstofstaal. De milieus in zo'n warmtewisselaar rechtvaardigen het gebruik van zowel roestvast staal als koolstofstaal. Het agressieve milieu wordt dan door de pijpen geleid. Dit betekent echter dat de deksels en de pijpplaten eveneens met dit agressieve milieu in aanraking komen. De corrosie die daar optreedt leidt dan niet tot neerslag die de warmte-overdracht remt, tenzij het wordt meegevoerd in de pijpen en aldaar neerslaat. Mocht dit gebeuren, dan kan een periodieke reiniging dit verhelpen. De mate van corrosie van het koolstofstaal in het betreffende milieu kan in tabellen worden teruggevonden of met behulp van relatief eenvoudige elektrochemische metingen worden bepaald. Aan de hand van de aldus gevonden corrosiesnelheid kan de wanddikte van de koolstofstalen delen worden bepaald om te compenseren voor de op te treden uniforme corrosie. Als er pijpmateriaal wordt gebruikt dat edeler is dankoolstofstaal, en roestvast staal is zo'n materiaal, dan mag de invloed van galvanische corrosie niet over het hoofd worden gezien: er moet dus extra corrosietoeslag worden gegeven. Roestvast staal heeft, behalve een tegen vele stoffen goede corrosieweerstand, nog andere eigenschappen. In het geval van austenitisch roestvast staal, dat het leeuwedeel voor zijn rekening neemt van alle geproduceerde buis en pijp, is zo'n eigenschap de gevoeligheid voor putcorrosie in vooral chloridehoudende milieus en gevoeligheid voor scheurvormende spanningscorrosie.

Als van tevoren bekend is dat er een milieu met een hoog chloridegehalte moet worden verwerkt betekent dit nog niet dat een gangbaar roestvast staaltype op voorhand is uitgesloten. De kans op putvormige corrosie hangt behalve van de aanwezigheid van chloriden ook af van de redoxpotentiaaL Zonder hier op allerlei elektrochemische zaken in te gaan zij hier volstaan met te zeggen dat een roestvast staaltype niet zal worden aangetast door putvormige corrosie, als de redoxpotentiaal negatiever is dan de potentiaal waarbij putcorrosie begint. Beide potentialen zijn op eenvoudige wijze te meten in een monster van het te verwerken milieu. het hoeft dus geenszins op voorhand vast te staan dat in een bepaald chloridehoudend milieu te allen tijde een roestvast staal van bijvoorbeeld type AISI 316 moet worden gekozen, omdat het type AISI 304 niet bestendig zou zijn. Alvorens zoiets te besluiten is het zeer aanbevelenswaardig om enkele elektrochemische metingen uit te voeren. Immers er zou kunnen blijken dat met een lager gelegeerd en dus goedkoper type roestvast staal kan worden gewerkt. Het tegendeel kan ook blijken: soms wordt er teveel vertrouwen gesteld in een bepaald type, terwijl dat in feite niet gerechtvaardigd is. Dat ook molybdeenhoudend austenitisch roestvast staal door putvormige corrosie kan worden aangetast illustreert afbeelding 2. Het weergegeven deel van de pijpenbundel bestaat uit pijpen die zijn gemaakt van AISI 316 Ti.

Afbeelding 2. Putvormige aantasting van een AIS/ 316 Ti pijpenbundel.

Wat betreft de gevoeligheid voor scheurvormende spanningscorrosie, dit fenomeen legt beperkingen op aan de verwerkbaarheid van austenitisch roestvast stalen pijpen. Scheurvormende spanningscorrosie treedt op als er gelijktijdig sprake is van een bepaald niveau aan mechanische spanningen in het metaal en een corrosief milieu. Austenitisch roestvast stalen pijpen worden standaard geleverd in spanningsarm gegloeide toestand. Dit houd in dat ze dan ongevoelig zijn voor scheurvormende spanningscorrosie. Zodra er bepaalde mechanische bewerkingen op de pijpen worden losgelaten worden hierdoor mechanische spanningen in het metaal geïntroduceerd. Zoiets zal zeker het geval zijn als de pijpen in de pijpenplaat worden gerold. Ter plekke worden enorme lokale mechanische spanningen opgewekt, die voor een deel w eer worden gerelaxeerd doordat het metaal plastisch vervormd. Echter niet alle mechanische spanningen zullen zijn verdwenen na de plastische vervorming, zeker niet op naburige plaatsen die niet zijn vervormd. Het lassen van de pijpen in de pijpenplaat heeft zeker in het geval van austenitisch roestvast staal de voorkeur boven inrollen. Hierbij verdient het de voorkeur om de pijpen even boven de pijpenplaat uit te laten steken. Daardoor ontstaat een geometrie die uit lastechnisch opzicht gunstiger is dan een gelijkliggende plaat-pijp of een iets in de pijpenplaat verzonken pijpopstelling. Scheurvormende spanningscorrosie is een aantastingsvorm waarvoor austenitisch roestvast staal gevoelig is in een geschikt agressief milieu. De voor deze vorm van aantasting noodzakelijke mechanische spanningen kunnen soms uit een onverwachte hoek komen. Zo sneuvelde een groot aantal pijpen uit een pijpenwarmtewisselaar als gevolg van spanningen die loodrecht op de pijplengte inwerkten. Deze spanningen waren het gevolg van onderlinge verplaatsingen van een tweetal pijpenschotten in de warmtewisselaar, die tijdens de installatie waren geïntroduceerd. Het gevolg was dat verscheidene pijpen over een zekere lengte in stukken waren gebroken, zie afbeeldingen 4 en 5.

Afbeelding 3. Gescheurde warmtewisselaarpijp.

Afbeelding 4. Gebroken warmtewisselaarp ijp.

Afbeelding 5. Doorsnede van een platenwarmtewisselaar.

Platenwarmtewisselaars

Roestvast stalen platenwarmtewisselaars kunnen uit corrosietechnisch oogpunt bezien nog wel eens problemen geven. Toch worden ze in de voedingsmiddelenindustrie op ruime schaal toegepast. Hun bestaansreden ligt onder andere in de gunstige warmtewisselende eigenschappen bij een zeer compacte bouwwijze. Afbeelding 6 toont schematisch een platenwarmtewisselaar in dwarsdoorsnede en afbeelding 7 toont een bepaalde plaatgeometrie. De opbouw van dit soort warmtewisselaars is zodanig dat op snelle wijze platen kunnen worden vervangen voor reiniging of inspectie. Ook hier moet met de typische gevoeligheden van austenitisch roestvast staal rekening worden gehouden. Afgezien van de gevoeligheid voor putvormige corrosie in chloridehoudende milieus waarop in het voorgaande dieper is ingegaan spelen de gevoeligheid voor spleetcorrosie en vermoeiingscorrosie hier een sterke rol. Spleetcorrosie is het gevolg van het uitgeput raken van oxyderende stoffen in een zeer nauwe ruimte. Gangbaarste oxyderende stof is zuurstof en typische nauwe ruimten zijn spleten. Het verschijnsel speelt zich vooral krachtig af in milieus die goed belucht zijn. Het metaaloppervlak in de nabijheid van de spleet komt dan volop in aanraking met de passiverende zuurstof, terwijl het metaal in de spleet zijn passiviteit verliest als gevolg van de gebrekkige zuurstoftoevoer. Resultaat is een sterke galvanische wisselwerking, waarbij het metaal in de spleet snel corrodeerd. Dat dit geen sinecure is toont afbeelding 8 waarop een deel van een gebogen plaat is te zien, die heeft gerust op een steunschot. Plaat en steunschot waren gemaakt van AISI 316 L. Ter plaatse van het contactvlak plaat-steunschot is ernstige spleetcorrosie opgetreden. Een dergelijke vorm van aantasting kan ook worden verwacht in platenwarmtewisselaars waar de platen te strak tegen elkaar zijn gemonteerd, zodat ze contact met elkaar maken. Een wat dit laatste betreft wel zeer riskante uitvoeringsvorm, is de platenwarmtewisselaar waarbij in de platen halve bolletjes zijn geperst. De toppen van deze halve bolletjes raken de achterkant van de volgende plaat en creëren aldus een bepaalde tussenruimte. Op de raakvlakken treedt met name op de halve bolletjes corrosie op, zie afbeelding 9. Er is hier sprake van een gecombineerde werking van spleetcorrosie en scheurvormende spanningscorrosie, omdat bij het persen van de bolletjes in de plaat de nodige mechanische spanningen zijn geïntroduceerd. Een remedie tegen spanningscorrosie is een spanningsarmgloeiing van de platen.

Afbeelding 6. Voorbeeld van een stromingsprotiel in een warmtewisselaarplaat.

Afbeelding 7. Spleetcorrosie ter plaatse van een steunschot.

Afbeelding 8. Warmtewisselaarplaat met daarin een scheur (ongeveer middenop de foto bevindt zich een zich vertakkende scheur.

AfbAfbeelding 9. Dwarsdoorsnede van een gescheurde warmtewisselaarplaat met een gat en scheuren.

Als gevolg van de drukpulsen die worden opgewekt door vrijwel altijd aanwezige pompen in het systeem, waarvan ook de warmtewisselaars deel uitmaken, wordt er een wisselende belasting opgewekt. Vooral in grotere warmtewisselaarplaten met een wat grof patroon kan het voorkomen dat ten gevolge van een zekere mate van doorbuiging contact wordt gemaakt met de naaste buren. Dit kan resulteren in een eraderende inwerking op het plaatmateriaal, die uiteindelijk tot perforatie kan leiden. Bij gelijkblijvende druk en afnemende doorstroomopening neemt de vloeistofsnelheid toe. Deze stromingssnelheid kan lokaal zo hoog oplopen, dat de beschermende oxydehuid van het roestvast staal wordt weggesleurd en er erosie-corrosie kan optreden, die al snel tot perforatie kan leiden. Gezien de wijze waarop de diverse stromingspatronen in de warmtewisselaarplaten zijn geperst zal het duidelijk zijn dat zulke platen alvorens ze kunnen worden gebruikt eerst terdege spanningsarm worden gegloeid . Het komt nog wel eens voor dat het resterende spanningsniveau toch nog relatief te hoog is en in aanwezigheid van een geschikt agressief milieu leidt tot scheurvormende spanningscorrosie zoals de afbeeldingen 10 en 11 tonen.

Afbeelding 10. Ondersteuningen moeten voldoende flexibel zijn om lokale spanningsconcentraties te voorkomen.

Afbeelding 11. Apparatuur in corrosieve omgeving moet op flexibele wijze worden aangekoppeld.

Slotopmerkingen

Tot slot volgen nog enkele aanwijzingen voor warmtewisselaars in het algemeen.

Apparatuur die in een corrosieve omgeving dienst moet doen, moet op een fundatie worden geplaatst die zo stijf mogelijk is en die een resonantiefrequentie heeft, die verschilt van de trillingsfrequentie die tijdens bedrijf door de apparatuur wordt opgewekt. Dit om vermoeiingscorrosie tegen te gaan en eventuele mechanische schade als gevolg van resonantie te voorkomen.
De apparaten moeten worden voorzien van ondersteuningen met voldoende buigzaamheid en waarbij spanningsconcentraties worden vermeden, zie afbeelding 12.
Apparatuur die in een corrosieve omgeving dienst moet doen, moet niet star aan aangrenzende apparatuur of constructies worden bevestigd, die ten opzichte van elkaar kunnen bewegen onder invloed van schokbelastingen. Dit geldt ook als genoemde apparaten of constructies buisleidingen zijn.
Correcte geometrie van bevestiging tussen warmtewisselaarpijpen en pijpenplaat moet meehelpen om spanningsconcentraties te verminderen.
Indien er sprake is van een constructie, waarbij de pijpenbundel en eventueel de pijpenplaat bestaan(t) uit roestvast staal en de mantel uit koolstofstaal, dan zou er waterstofverbrossing kunnen optreden van het koolstofstaal als gevolg van galvanische corrosie. Afb. 8 Warmtewisselaarplaat met daarin een scheur (ongeveer middenop de foto bevindt zich een zich vertakkende scheur.

Afbeelding 12. Flexibele aansluitingen voor apparatuur in corrosieve omgeving, die bloot staan aan schokbelastingen.

Inwendige bekleding van het koolstofstaal met een dun laagje austenitisch roestvast staal of nikkel biedt dan uitkomst. Het was niet de bedoeling van dit artikel om een uitputtende verhandeling te geven van wat er allemaal mis kan gaan met warmtewisselaars. Dit betoog wil eerder een snel overzicht geven van enkele vaak voorkomende schades en het wil tevens duidelijk maken dat met enig constructief inzicht tezamen met metaalkundige kennis en ondersteund door betrekkelijk eenvoudige elektrochemische meetmethoden veel van deze schadegevallen buiten de deur kunnen worden gehouden.