Spanningscorrosieschade in een warmtewisselaar

Chloridespanningscorrosie in roestvast staal is een veel voorkomend probleem. Ter voorkoming van de schade is het vaak voldoende één van de vier voor het ontstaan noodzakelijke voorwaarden uit te sluiten.

Artikel gepubliceerd in Roestvast staal nummer 3 1993. Artikel 8

Inleiding

Corrosie is een verschijnsel waarbij het materiaal een ongewenste aantasting ondergaat door electrochemische reacties met stoffen uit de omgeving. Door staal te legeren met chroom en nikkel is een staalsoort ontwikkeld die in contact met bepaalde corrosieve omgevingen (corrosieve milieus) niet of nauwelijks corroderen.  De roestvast-staaltypen AISI 304/316 behoren tot de bovengenoemde staalsoort. Dat roestvastheid een relatief begrip is zal in dit artikel duidelijk worden.

Een kleine warmtewisselaar bestaande uit een vat (afmeting 0 220 x 840 mm) met daarin een koelspiraal, is vervaardigd van roestvast staal van het type AISI 304 en is 5 jaar in gebruik geweest. De warmtewisselaar is gebruikt om monsters aardoliedestillaat met een temperatuur van 150°C uit het produktieproces te koelen.
Als koelmedium wordt demiwater toegepast. De hele warmtewisselaar is aan de buitenzijde geïsoleerd met steenwol die was afgedekt met aluminiumplaat. Na klachten over water dat in het destillaat zou zitten, is de warmtewisselaar uit bedrijf genomen en visueel onderzocht. Er bleek scheurvorming te zijn opgetreden in de koelspiraal en in de wand van het vat. Hierop heeft de gebruiker besloten nader onderzoek te laten verrichten naar de aard en oorzaak van de scheurvorming.

Onderzoeksresultaten

Visueel onderzoek van de buitenwand van het vat toonde een netwerk van (vertakkende) scheuren nabij de steunpunten (zie afbeelding 1). De hoofdoriëntatie van de scheuren ligt in de omtreksrichting van het vat.
De koelspiraal vertoonde een aanral scheurtjes onder een hoek van 45° ten opzichte van de langsrichting (zie afbeelding 2). Vertakking van de scheuren werd hier niet waargenomen.


Afb. 1 De visueel waargenomen scheuren aan de buitenzijde van de warmtewisselaar.


Afb. 2 De scheur in de koelspiraal. Vergroting = 4 x.


Microscopisch onderzoek aan geprepareerde secties toonde aan dat zowel de scheuren in het vat als in de koelspiraal transkristallijn verlopen. De wand van het vat heeft een austenitische matrix met enige carbide uitscheidingen op de korrelgrenzen. Het binnenoppervlak van de wand was licht interkristallijn aangetast. De spiraal had een austenitische matrix (zie afbeelding 3). Ter verificatie van het opgegeven materiaal is een Positieve Materiaal Identificatie(PMI)test uitgevoerd met behulp van een Texas Nuclear Alloy Analyzer type 9266. Hiermee werd bevestigd dat zowel de wand als de spiraal inderdaad waren gemaakt van roestvast staal van het type AISI 304.


Afb. 3 Transkristallijne vertakte scheuren in een austenitische matrix. Vergroting= 100 x; 10% oxaalzuuretsing.

Bespreking

Op basis van de waarnemingen is geconcludeerd dat de warmtewisselaar heeft gefaald door chloridespanningscorrosie. Doordat de isolatie door inlekken van water/condens vochtig is geworden en door indampen van het vocht is de concentratie van chloride-ionen relatief hoog geworden. Hierdoor ontstond aan de buitenkant van het vat in de isolatie een corrosief milieu met ideale parameters voor wat betreft samenstelling en temperatuur. De spiraal is van binnenuit eveneens aangetast door chloridespanningscorrosie.
Spanningscorrosie in roestvast staal kon optreden omdat tegelijkertijd aan de volgende voorwaarden werd voldaan:
 

1. Temperatuur hoger dan ongeveer 60°C
   In het algemeen komt bij temperaturen lager dan 60°C geen chloridespanningscorrosie voor.
2. Aanwezigheid van trekspanningen
   De trekspanning nodig voor chloridespanningscorrosie is doorgaans laag (≈20 N\mm2) en kan gevormd worden door inwendige spanningen, spanningen ten gevolge van vervorming, lassen of uitwendig opgelegde spanningen.
3. Aanwezigheid van een corrosief milieu, zoals waterige oplossingen met chloriden en zuurstof
   De zuurgraad (pH) heeft bij lagere temperaturen een duidelijke invloed. Verlaging van de pH geeft een verkorting van de tijd tot scheurvorming. Bij een pH < 4 kan zelfs interkristallijne scheurvorming optreden in plaats van transkristallijne scheurvorming.
4. Materiaal gevoelig voor deze vorm van corrosie
   De veel toegepaste typen austenitisch roestvaststaal zoals AISI 304, zijn alle ongeveer even gevoelig voor chloridespanningscorrosie.
    

Algemeen

De spanningscorrosie (scheurvorming) in het metaal verloopt in een drietal stappen. Initiatie, propagatie en restbreuk. Tijdens de propagatiefase zijn scheurgroeisnelheden mogelijk van 1x10-10 tot 1x10-2 m/s.
Een scheurgroeisnelheid van 1x10-7 mis is normaal. Bescherming tegen chloridespanningscorrosie is mogelijk door ervoor te zorgen dat niet tegelijkertijd voldaan wordt aan de vier genoemde voorwaarden.
Mogelijke beschermingsmethoden tegen het optreden van spanningscorrosie zijn:
 

• Aanbrengen van deklagen (scheiding metaal-corrosief milieu door middel van een barrière). Deze methode is toepasbaar tot een bedrijfstemperatuur van ± 200°C.
• Kathodische bescherming door middel van een aluminiumfolie. De folie zorgt zowel voor een barrière als voor kathodische bescherming in een vochtig milieu. Deze methode is toepasbaar tot een bedrijfstemperatuur van 500°C.
• Toevoegen van inhibitoren aan de vloeistof.
• Langdurige spanningsarmgloeien bij temperaturen van 230°C tot 400°C.
• Micropeening waardoor er drukspanningen in het oppervlak worden gebracht zodat initiatie wordt vertraagd dan wel geheel vermeden.