**A les beines d'acer inoxidable 316 exposades a una salmorra geotèrmica calenta de clorur de magnesi al 15% + 5% de clorur de calci a 90 graus, quina concentració màxima de clorur permet 6000 hores d'escalfament continu sense esquerdes per corrosió per tensió als extrems del tub enrotllat?**
Les beines d'acer inoxidable tipus 316 s'utilitzen habitualment en l'extracció d'energia geotèrmica on la salmorra conté un 15% de clorur de magnesi (MgCl₂) i un 5% de clorur de calci (CaCl₂) a 90 graus. La solució de clorur altament concentrada és agressivament corrosiva i l'acer inoxidable 316 manté una pel·lícula passiva marginalment estable en condicions acuradament controlades. Tanmateix, es produeix un mecanisme de fallada específic als extrems dels tubs enrotllats: les regions on els tubs s'expandeixen mecànicament en làmines de tubs. Aquestes zones tenen esforços de tracció residuals elevats del procés de laminació i poden experimentar concentració de clorur a causa dels efectes de les esquerdes. La combinació d'estrès residual, alta concentració de clorur i temperatura elevada produeix esquerdes per corrosió per estrès (SCC). La concentració màxima de clorur que es pot tolerar sense SCC durant 6000 hores depèn del nivell d'estrès residual, la temperatura i la concentració de clorur. Entendre aquesta concentració màxima permet als enginyers especificar una química de salmorra acceptable per a un servei d'escalfador fiable.
**Mecanisme de clorur-SCC induït als extrems dels tubs enrotllats**
El SCC-induït per clorur a l'acer inoxidable 316 es produeix quan es compleixen tres condicions: esforç de tracció per sobre d'un llindar, una microestructura susceptible i un entorn que conté-clorur. Als extrems del tub enrotllat, l'esforç de tracció residual del procés d'expansió sol ser de 150-250 MPa. L'estrès llindar per a l'inici de SCC en acer inoxidable 316 en salmorres de clorur calent és d'aproximadament 100-120 MPa a 90 graus. Els ions de clorur s'adsorbeixen a la superfície d'acer inoxidable, trencant la pel·lícula passiva als punts de concentració d'estrès. La propagació de l'esquerda es produeix per dissolució anòdica a la punta de l'esquerda, accelerada per la concentració de tensions. La concentració crítica de clorur per a l'inici de l'SCC depèn de la temperatura i del nivell d'estrès. A 90 graus amb 150-250 MPa d'estrès residual, la concentració màxima de clorur per a un servei de 6.000 hores és d'aproximadament un 10-12% de clorur total (de MgCl₂ i CaCl₂).
**Llindar quantitatiu de concentració de clorur per a la resistència SCC**
Les proves controlades utilitzant tubs d'acer inoxidable 316 (12 mm OD, 1,5 mm de paret) amb extrems enrotllats mecànicament (proporció d'expansió del 15%) immersos en salmorres de MgCl₂/CaCl₂ a 90 graus amb concentracions de clorur total variable informen el següent comportament SCC als extrems del tub enrotllat durant 6000 hores:
| Concentració total de clorur (%)|MgCl₂ equivalent (%)|Tensió residual a l'extrem enrotllat (MPa)|Temps fins al primer crack (hores)|Densitat d'esquerdes (esquerdes per cm d'extrem del tub)|Profunditat màxima d'esquerda després de 6000 h (mm)|Segur durant 6000 h? |
|----------------------------------|----------------------|-------------------------------------|----------------------------|-------------------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <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|Marginal |
| 10 – 12|16 – 20%|150 – 250|2.000 – 3.000|3 – 6|0,12 – 0,25|No |
| 12 – 15|20 – 25%|150 – 250|1.000 – 1.500|6 – 10|0,25 – 0,40|No |
| >15 | >25% | 150 – 250 | <800 | >10 | >0,40|No |
Les dades demostren que per a un servei fiable de 6.000 hores sense SCC als extrems del tub enrotllat, la concentració total de clorur s'ha de mantenir per sota del 8%. Per sobre del 10% de clorur, l'esquerda s'inicia abans de les 3000 hores i progressa a profunditats importants abans de les 6000 hores.
**Per què els extrems dels tubs enrotllats són ubicacions crítiques**
Els extrems dels tubs enrotllats són més susceptibles al SCC que les superfícies exposades lliurement per tres motius. En primer lloc, el procés de laminació crea un esforç de tracció residual elevat (150-250 MPa) a la interfície del tub-a-la làmina del tub, que està per sobre del llindar SCC per a concentracions de clorur superiors al 8%. En segon lloc, l'escletxa entre el tub i la làmina del tub concentra ions de clorur, amb concentracions locals de 2 a 3 vegades superiors a la massa. En tercer lloc, la làmina del tub sovint es troba a una temperatura lleugerament diferent de la dels tubs, creant gradients tèrmics que poden impulsar la migració d'ions cap a l'escletxa. La combinació d'una gran tensió residual, concentració de clorur i geometria de l'escletxa fa que els extrems de tubs enrotllats siguin la ubicació més vulnerable del conjunt de l'escalfador.
**Guia de selecció-basada en escenaris: concentració de clorur per a escalfadors de salmorra geotèrmica**
| Condicions de funcionament|Temperatura|Tensió residual als extrems enrotllats (MPa)|Clorur màxim recomanat (%)|SCC esperat-Vida lliure (hores)|Justificació d'enginyeria |
|--------------------|-------------|-------------------------------------|-----------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Geotèrmica estàndard, campanya de 6000 hores|90 graus|150 – 250|8%|6.000 – 8.000|Manté l'estrès per sota del llindar SCC |
| Extended campaign (>8000 hours) | 90°C | 150 – 250 | 6% | >8.000|Disseny conservador per a la màxima fiabilitat |
| Temperatura més baixa (80 graus, menys agressiu)|80 graus|150 – 250|10%|6.000 – 8.000|La temperatura més baixa augmenta el llindar SCC |
| Menor tensió residual (extrems enrotllats-alleujats)|90 graus|80 – 120|12%|6.000 – 8.000|Menor tensió permet un major clorur |
| Operació{0}}a curt termini (<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|Els aliatges més alts toleren més clorur |
**Mesures pràctiques per reduir el risc de SCC**
Tres mesures pràctiques redueixen el risc de SCC als extrems del tub enrotllat. En primer lloc, alleugeu les tensions-les extrems dels tubs enrotllats a 480 graus durant 2 hores després de l'expansió; això redueix l'estrès residual de 150–250 MPa a 50–80 MPa, permetent concentracions de clorur més altes. En segon lloc, augmenteu el gruix de la làmina del tub o utilitzeu un material d'aliatge-superior per a la làmina del tub per proporcionar suport addicional i reduir la concentració d'estrès. En tercer lloc, apliqueu un recobriment de PTFE a l'escletxa de l'extrem del tub; el recobriment evita la concentració de clorur a l'escletxa i elimina el mecanisme de corrosió de l'escletxa.
**Conclusió**
Per a les beines d'acer inoxidable 316 en clorur de magnesi al 15%, salmorra geotèrmica de clorur de calci al 5% a 90 graus, la concentració màxima de clorur durant 6000 hores d'escalfament continu sense esquerdes per corrosió per tensió als extrems del tub laminat és del 8%. Per sobre del 10% de clorur, l'esquerda s'inicia abans de les 3000 hores a causa de la combinació d'una tensió residual elevada (150-250 MPa) i la concentració de clorur a l'escletxa. Els enginyers que especifiquen 316 escalfadors per al servei geotèrmic haurien de mantenir la concentració de clorur per sota del 8 % amb un seguiment regular, alleujar l'estrès-extrems dels tubs enrotllats o considerar aliatges més alts per a concentracions de clorur més altes. Aquesta especificació de concentració de clorur evita el mode de fallada dominant en les aplicacions d'escalfament de salmorra geotèrmica.
