塩化物-を含む冷却水中でのスーパー二相ステンレス鋼の臨界孔食温度 (CPT) はどれくらいですか?

孔食は局所的な予測不可能な攻撃であり、全体的な減肉が検出される前にチューブに穴が開く可能性があります。臨界孔食温度は、ステンレス鋼が塩化物環境で確実に使用できる温度境界を定義し、スーパー二相グレードでは従来の 316L よりもはるかに高くなります。塩化物を含む冷却水における超二相ステンレス鋼の CPT を理解することは、海水、汽水、またはその他の高塩化物冷却媒体を早期故障することなく処理する必要がある熱交換器、配管システム、凝縮器を設計するために不可欠です。

臨界孔食温度 (CPT) とは何ですか?

の臨界孔食温度標準化された試験条件下で、特定の電解液にさらされたときに金属表面で安定した孔食が開始される最低温度です。 CPT より下では、不動態皮膜はそのまま残り、材料は孔食に対して耐性があります。 CPT を超えると、ピットが形成され、拡大し始めます。

塩化物溶液中のステンレス鋼の場合、CPT は耐孔食性の実用的なランク付けを提供します。 CPT は現実的な電気化学条件下での合金組成、微細構造、および表面状態の複合効果を統合するため、孔食抵抗当量数 (PREN) 単独よりも信頼性の高い工学パラメータです。

CPT は、認められた基準に従って臨床検査を通じて決定されます。

ASTM G150– 電気化学的臨界孔食温度テスト。サンプルを 1 M NaCl 溶液中で制御された速度で加熱しながら、定電位スキャンを使用します。 CPT は、電流密度がしきい値 (通常 100 μA/cm2) を超える温度として記録されます。

ASTM G48– 方法 D および E では、温度を上げながら塩化第二鉄溶液 (6% FeCl₃) を使用します。 CPT は、一定の暴露期間 (たとえば 72 時間) にわたって孔食が発生しない最高温度です。

塩化第二鉄試験は天然海水よりも厳しいものですが、保守的な比較基準となります。冷却水用途では、これらのテストの CPT 値が材料選択のガイドラインとして使用されます。

スーパーデュプレックス: 高合金含有量により CPT が向上

スーパー二相ステンレス鋼 (UNS S32750、S32760、S39274、一般商品名 2507、Zeron 100 など) は、バランスのとれたオーステナイトとフェライトの微細構造 (約 50:50) および高レベルの主要な合金元素によって特徴付けられます。

クロム(Cr) – 24–26%

モリブデン(Mo) – 3–4%

窒素(N) – 0.2–0.3%

ニッケル(Ni) – 6–8%

これらの元素は不動態皮膜の安定性を高め、塩化物による孔食や隙間腐食に対する耐性を高めます。スーパー二相グレードの耐孔食性相当数は通常、40(PREN=wt% Cr + 3.3 × wt% Mo + 16 × wt% N)。比較のために、標準の 316L ステンレス鋼の PREN は約 24 ～ 26、標準の二相鋼 (2205 など) の PREN は 34 ～ 36 です。

空気を含んだ中性に近い海水中の CPTスーパー二相グレードの場合は、一般的に（または 3.5% NaCl などの模擬海水）が使用されます。50度以上。試験方法と表面仕上げに応じて、一部のグレードは 60 ～ 70 度の CPT 値を達成します。対照的に：

316L– 同じ環境で CPT < 10 度から約 20 度まで。これは、316L が典型的な温かい冷却水温度 (25 ～ 40 度) で孔食を非常に起こしやすいことを意味します。

標準両面印刷 (2205)– 空気を含んだ海水中での CPT は約 25 ～ 35 度で、多くの用途には十分ですが、高温では限界があります。

したがって、ある温度の塩化物を含む冷却水の場合、30度以上そして特に40度以上スーパー二相合金は、多くの場合、CPT がさらに高いものの、費用が大幅にかかるニッケルベース合金 (インコネル 625、ハステロイ C-276 など) よりもコスト効率の高い選択肢として好まれます。

流れと非停滞状態の重要性

上記の CPT 値は、酸素へのアクセスが良好で、清潔で自由に露出した表面を想定しています。実際の冷却水システムでは、流速そして預金がないことこれらはスーパー二相固有の耐孔食性を達成するために重要です。

乱流 (typically >チューブ内で 1.5 m/s）は、不動態皮膜への酸素供給を維持し、金属表面に塩化物に富む停滞層が蓄積するのを防ぎます。

堆積物、バイオフィルム、またはシルト亀裂や堆積不足の状態が発生します。このような「遮蔽された」ゾーンの下では、酸素が枯渇し、局所的な pH が低下し、塩化物が濃縮されます。スーパー二相のような高 CPT 合金であっても、公称 CPT を大幅に下回る温度では孔食や隙間腐食が発生する可能性があります。

海水冷却サービスにおけるスーパーデュプレックス熱交換器の現場経験では、以下の条件が満たされた場合に優れたパフォーマンスを示しています。

臨界沈降速度 (通常 1.2 ～ 1.5 m/s) を超える流速で固形物を除去します。

生物付着を防ぐための定期的なチューブの洗浄 (スポンジボール システムや化学物質の投与など)。

適切な入口スクリーンと破片のろ過。

設計におけるデッドレッグ、低流量領域、鋭い隙間を回避します。

これらの条件に違反すると、クリーンラボテストで測定された材料の CPT が高いにもかかわらず、30 ～ 40 度という低い温度で孔食や隙間腐食が発生する可能性があります。

CPT は熱による危険ラインですが、流れによって金属は安全に保たれます。CPT が高いと十分な安全マージンが得られますが、健全な油圧設計の必要性がなくなるわけではありません。

停滞し遮蔽された状態: 本当の脆弱性

スーパーデュプレックスにも限界があります。完全に停滞した海水や、しっかりと付着したバイオフィルムの下では、有効な局所環境はバルク海水よりもはるかに攻撃的になります。次の状況には注意が必要です。

断続的に動作するチューブ– 流れが停止すると、堆積物が沈殿し、アイドル期間中に塩化物の隙間状態が発生します。

管と管板の接合部– シール溶接であっても微細な隙間は存在します。高温塩化物使用では、温度が長期間 50 度を超えると、スーパー二相管板の隙間腐食が報告されています。

析出物不足のピッチング– 酸化鉄または炭酸カルシウムのスケール、シルト、または生物学的スライムは、酸素の拡散に対する障壁として機能します。このような堆積物の下では、局所的な塩化物濃度がバルク水の 5 ～ 10 倍に上昇し、pH が 4 未満に低下する可能性があります。そのような場合、スーパーデュプレックスは公称 CPT より 10 ～ 20 度低い温度で孔食を起こす可能性があります。

したがって、塩化物を含む冷却水中のスーパー二本鎖の CPT は単一の普遍的な数値ではありません。それは以下に依存します:

特定の合金グレード (UNS S32750、S32760、S39274 では CPT がわずかに異なります)。

表面仕上げ（電解研磨または酸洗いされた表面は、研磨されたままの表面またはフライス仕上げされた表面よりも高い CPT を持ちます）。

試験方法 (ASTM G150 と G48 では異なる値が得られます)。

実際の水の化学的性質 (pH、塩素化レベル、硫酸塩や重炭酸塩などの他のイオンの存在)。

流れの状況と堆積物の状態。

保守的な設計値きれいで乱流の空気を含んだ海水はCPT 50 度以上スーパーデュプレックス用。のために停滞または堆積しやすい状態40 度、さらには 35 度の下限が推奨されます。あるいは、より耐久性の高い合金 (チタンや 6% モリブデン スーパーオーステナイト ステンレス鋼など) の使用を検討する必要があります。

一般的な冷却水合金の CPT 値の比較

次の表は、電気化学的方法 (ASTM G150) によって測定された、通気された 3.5% NaCl 溶液 (模擬海水) 中でのさまざまなステンレス鋼および合金の代表的な CPT 範囲を示しています。実際の値は表面仕上げとテストの詳細によって異なります。

スーパー二相は、非常に魅力的な性能とコストの領域にあり、316L または標準二相よりも耐孔食性が大幅に高く、しかも 6% Mo またはチタンよりも安価です。

熱交換器設計への実際的な意味

スーパー二重管と、海水 (約 19,000 ppm Cl⁻) または汽水 (1,000 ～ 10,000 ppm Cl⁻) に典型的な塩化物レベルの冷却水を使用する熱交換器の場合、次の設計実践は高い CPT を実現するのに役立ちます。

チューブ側の速度を 1.5 m/s 以上に維持する– これにより乱流が確保され、沈殿が防止されます。エロージョン・コロージョンが懸念されない限り、2 ～ 3 m/s の速度がさらに優れています (スーパーデュプレックスは優れた耐エロージョン性を備えています)。

隙間を最小限に抑えるチューブシート設計を使用– 40 度を超える温度で使用する場合は、チューブをチューブシートにシール溶接することをお勧めします。ガスケット付きまたは拡張のみのジョイントはリスクが高くなります。

低流量領域とデッドレッグを回避– 配管と熱交換器の形状は、堆積物が蓄積する可能性のある停滞ゾーンを排除するように設計する必要があります。

清掃計画を実施する– 海水冷却の場合は、スポンジボールまたはブラシスルーシステムを使用して定期的にチューブを洗浄します（例：シフトごとに 1 回）。生物付着を防ぎます。塩素またはその他の殺生物剤を低レベル (遊離残留物 0.1 ～ 0.5 ppm) で化学薬品を投与すると、微生物の増殖が抑制されますが、過度の塩素化を避けるように管理する必要があります。これにより、一部のステンレス鋼では CPT が低下する可能性があります (スーパー二相鋼は、低レベルの塩素化に対して比較的耐性があります)。

入口温度を監視する– 冷却水温度が 50 度を超える場合 (温暖な気候や再循環冷却水を使用する場合など)、より高合金 (6% Mo またはチタン) を使用するか、許容応力の低減 (ディレーティング) を検討する必要があります。

PREN の役割と CPT がより良い予測手段である理由

孔食抵抗相当数 (PREN=Cr + 3.3 Mo + 16 N) は、組成に基づいて合金をランク付けする簡単な式です。ただし、PREN では、温度、微細構造、表面状態、環境要因は考慮されていません。同一の PREN を持つ 2 つの合金は、熱処理の違いや元素のわずかな変化により、CPT が大幅に異なる場合があります。

制御された条件下で直接測定される CPT は、次の要素を組み込んでいるため、優れたエンジニアリング パラメーターです。

すべての合金元素の相乗効果。

環境の実際の腐食の可能性。

温度の関数としての不動態皮膜の安定性。

冷却水中の超二相合金の場合、CPT が 50 度であるということは、50 度未満の温度では、合金がきれいな空気を含んだ海水中で熱力学的に孔食する可能性が低いことを意味します。 50度を超えると、堆積物がなくても孔食が発生する可能性があります。これにより、明確な設計ガイドラインが提供されます。

結論: 油圧規律を備えた、塩化物を豊富に含む冷却水への信頼

スーパー二相ステンレス鋼は、クロム、モリブデン、窒素の含有量が高いため、塩化物を含む冷却水中で高い臨界孔食温度 (CPT) を示します-曝気海水では 50 度を超えることがよくあります-。このため、316L または標準デュプレックスの制限をはるかに超える温度で海水または汽水を扱う熱交換器、凝縮器、配管システムにとって、堅牢でコスト効率の高い選択肢となります。ただし、CPT はクリーンで流れの良い状態のガイドラインです。停滞した表面や堆積物で覆われた表面では、超二相鋼でも低温では孔食が発生する可能性があります。材料の高い CPT の利点を最大限に活用するには、適切な油圧設計-乱流を維持し、生物付着を防ぎ、隙間をなくす-ことが不可欠です。材料の選択は、材料の化学的性質と同じくらい動作環境も重要です。スーパーデュプレックスは広い熱安全マージンを提供しますが、それは冷却水が動き続け、チューブが清潔に保たれている場合に限られます。