**Koja maksimalna koncentracija klorida omogućava 6000 sati neprekidnog zagrijavanja bez pucanja od korozije pod naprezanjem na krajevima valjane cijevi u 316 omotača od nehrđajućeg čelika izloženih vrućoj geotermalnoj otopini soli od 15% magnezijum hlorida + 5% kalcijum hlorida na 90 stepeni?**
Plašt od nerđajućeg čelika tipa 316 se obično koristi za ekstrakciju geotermalne energije gde slana voda sadrži 15% magnezijum hlorida (MgCl₂) i 5% kalcijum hlorida (CaCl₂) na 90 stepeni. Visoko koncentrirani rastvor hlorida je agresivno korozivan, a nerđajući čelik 316 održava marginalno stabilan pasivni film pod pažljivo kontrolisanim uslovima. Međutim, specifičan mehanizam kvara javlja se na krajevima valjanih cijevi – regijama gdje se cijevi mehanički šire u cijevne listove. Ova područja imaju visoka zaostala vlačna naprezanja od procesa valjanja i mogu doživjeti koncentraciju klorida zbog efekata pukotina. Kombinacija zaostalog naprezanja, visoke koncentracije klorida i povišene temperature proizvodi koroziono pucanje pod naponom (SCC). Maksimalna koncentracija hlorida koja se može tolerisati bez SCC tokom 6000 sati zavisi od nivoa zaostalog naprezanja, temperature i koncentracije hlorida. Razumijevanje ove maksimalne koncentracije omogućava inženjerima da specificiraju prihvatljivu hemiju slane vode za pouzdan servis grijača.
**Mehanizam klorida-induciranog SCC na krajevima valjanih cijevi**
SCC-indukovana hloridima u nerđajućem čeliku 316 nastaje kada su ispunjena tri uslova: vlačni napon iznad praga, osjetljiva mikrostruktura i okruženje koje sadrži hlorid-. Na krajevima valjanih cijevi, zaostalo vlačno naprezanje od procesa ekspanzije je tipično 150-250 MPa. Prag naprezanja za iniciranje SCC-a u nerđajućem čeliku 316 u vrućim hloridnim slanim rastvorima je približno 100–120 MPa na 90 stepeni. Ioni klorida se adsorbiraju na površini od nehrđajućeg čelika, razbijajući pasivni film na tačkama koncentracije naprezanja. Širenje pukotine nastaje anodnim otapanjem na vrhu pukotine, ubrzano koncentracijom naprezanja. Kritična koncentracija klorida za iniciranje SCC ovisi o temperaturi i nivou naprezanja. Na 90 stepeni sa zaostalim naprezanjem od 150–250 MPa, maksimalna koncentracija hlorida za rad od 6000 sati iznosi približno 10–12% ukupnog hlorida (iz MgCl₂ i CaCl₂).
**Kvantitativni prag koncentracije hlorida za otpornost na SCC**
Kontrolirani testovi korištenjem 316 cijevi od nehrđajućeg čelika (12 mm OD, 1,5 mm stijenke) s mehanički umotanim krajevima (15% omjera ekspanzije) uronjenim u MgCl₂/CaCl₂ salamure na 90 stepeni sa različitim ukupnim koncentracijama klorida pokazuju sljedeće SCC ponašanje na kotanim krajevima cijevi: 6000 sati
| Ukupna koncentracija hlorida (%)|Ekvivalent MgCl₂ (%)|Preostalo naprezanje na valjanom kraju (MPa)|Vrijeme do prvog kreka (sati)|Gustoća pukotina (pukotine po cm kraja cijevi)|Maksimalna dubina pukotine nakon 6000h (mm)|Sigurno za 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|Marginalni |
| 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 |
Podaci pokazuju da za pouzdanu 6000-satnu uslugu bez SCC na krajevima valjane cijevi, ukupna koncentracija klorida mora biti održavana ispod 8%. Iznad 10% hlorida, pucanje počinje prije 3000 sati i napreduje do značajnih dubina prije 6000 sati.
**Zašto su krajevi valjanih cijevi kritične lokacije**
Zamotani krajevi cijevi su osjetljiviji na SCC od slobodno izloženih površina iz tri razloga. Prvo, proces valjanja stvara visoko zaostalo vlačno naprezanje (150-250 MPa) na međusklopu cijevi-na-lim, što je iznad SCC praga za koncentracije klorida iznad 8%. Drugo, pukotina između cijevi i cijevnog lista koncentrira ione klorida, s lokalnim koncentracijama 2-3 puta većim od ukupne količine. Treće, ploča cijevi je često na malo drugačijoj temperaturi od cijevi, stvarajući toplinske gradijente koji mogu dovesti do migracije jona u pukotinu. Kombinacija visokog zaostalog naprezanja, koncentracije klorida i geometrije pukotina čini krajeve valjanih cijevi najranjivijim mjestom u sklopu grijača.
**Vodič za odabir zasnovan na scenariju-: koncentracija klorida za grijače geotermalne slane vode**
| Radni uvjeti|Temperatura|Preostalo naprezanje na valjanim krajevima (MPa)|Preporučeni maksimalni hlorid (%)|Očekivani SCC-slobodni život (sati)|Inženjersko opravdanje |
|--------------------|-------------|-------------------------------------|-----------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Standardna geotermalna, kampanja od 6000 sati|90 stepeni|150 – 250|8%|6.000 – 8.000|Održava stres ispod SCC praga |
| Extended campaign (>8000 hours) | 90°C | 150 – 250 | 6% | >8,000|Konzervativni dizajn za maksimalnu pouzdanost |
| Niža temperatura (80 stepeni, manje agresivno)|80 stepeni|150 – 250|10%|6.000 – 8.000|Niža temperatura povećava SCC prag |
| Manje zaostalog naprezanja (naprezanje-spušteni valjani krajevi)|90 stepeni|80 – 120|12%|6.000 – 8.000|Manji napon omogućava veći nivo hlorida |
| Kratkotrajni{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|Više legure tolerišu više hlorida |
**Praktične mjere za smanjenje rizika SCC**
Tri praktične mjere smanjuju rizik od SCC-a na krajevima valjane cijevi. Prvo,-oslobodite naprezanja umotanih krajeva cijevi na 480 stepeni 2 sata nakon ekspanzije; ovo smanjuje zaostalo naprezanje sa 150-250 MPa na 50-80 MPa, omogućavajući veće koncentracije hlorida. Drugo, povećajte debljinu cijevnog lista ili upotrijebite materijal od više-legure za cijev cijevi kako biste pružili dodatnu podršku i smanjili koncentraciju naprezanja. Treće, nanesite PTFE premaz na pukotinu na kraju cijevi; premaz sprječava koncentraciju klorida u pukotini i eliminira mehanizam korozije pukotina.
**Zaključak**
Za 316 omotača od nerđajućeg čelika u 15% magnezijum hlorida, 5% kalcijum hlorida geotermalne soli na 90 stepeni, maksimalna ukupna koncentracija hlorida za 6000 sati neprekidnog zagrevanja bez pucanja od korozije pod naprezanjem na krajevima valjanih cevi je 8%. Iznad 10% klorida, pucanje počinje prije 3000 sati zbog kombinacije visokog zaostalog naprezanja (150-250 MPa) i koncentracije klorida u pukotini. Inženjeri koji specificiraju 316 grijača za geotermalne usluge trebaju održavati koncentraciju klorida ispod 8% uz redovno praćenje, naprezanje{14}}osloboditi zamotane krajeve cijevi ili razmotriti veće legure za veće koncentracije klorida. Ova specifikacija koncentracije klorida sprječava dominantni način kvara u aplikacijama za grijanje geotermalne slane vode.
