Faoin Cén Teaglaim Sonrach Teocht agus Brú in Uisce Sárcriticiúil (SCW) ag 400 céim agus 25 MPa An bhfuil 316 Truaill Téitheoir Cruach Dhosmálta Aistrithe ó Éighníomhach go Ocsaídiú Gníomhach agus Creimeadh

Iompar creimeadh neamhghnách in aice leis an bpointe criticiúil uisce

The corrosion behaviour of 316 stainless steel sheathed electric heating tubes used in supercritical water oxidation (SCWO) systems, supercritical water reactors, or advanced power generation cycles, in which water is heated above its critical point (374°C, 22.1 MPa), is fundamentally different from subcritical aqueous corrosion. In normal supercritical water conditions, 400°C and 25 MPa, the peculiar properties of supercritical water (low dielectric constant, high diffusivity, non-polar nature) create a highly oxidising environment. At crucial combinations of temperature and pressure, that rely on the concentration of dissolved oxygen, 316 stainless steel changes from the formation of protective chromium oxide to the growth of fast, non-protective iron oxide. Under conditions of dissolved oxygen >1-2 ppm ag 400 céim agus 25 MPa, taispeánann 316 sraith tanaí, cosanta Cr_2O_3 le ráta ocsaídiúcháin parabolic de<0.01 mm/year. At temperatures over 420-450°C at the same pressure, or at oxygen concentrations below 0.1 ppm (reducing conditions), the protective coating breaks down and linear oxidation rates of 0.2-1.0 mm/year occur. This article calculates the temperature-oxygen threshold for the passive-to-active transition of 316 in supercritical water at 25 MPa.

Meicníocht Ocsaídiúcháin in Uisce Sárchriticiúil (SCW)

Is sreabhán dlúth é uisce sárchriticiúil (SCW) a bhfuil a n-airíonna leath bealaigh idir airíonna leachta agus gáis. Is tuaslagóir neamhpholach é mar gheall ar a tairiseach tréleictreach íseal (≈6 ag 400 céim in aghaidh ≈80 ag 25 céim ) agus tá tuaslagthacht an-teoranta ag speicis ianach (lena n-áirítear táirgí creimthe cruach dhosmálta). Go bunúsach, is é an mheicníocht creimeadh i SCW ná ocsaídiú céim gáis ardteochta, ach le castacht bhreise na luaineachtaí dlús in aice le criticiúil. Faoi imthosca ocsaídiúcháin (ocsaigin ard tuaslagtha, de ghnáth ó O2 breise nó ó raideolaíocht uisce) forbraíonn 316 scála déphléacsach le ciseal Cr2O3 istigh agus ciseal seachtrach Fe3O4 (maighnéadáit). Má tá an ciseal Cr 2 O 3 leanúnach, faightear cosaint. I láthair imthosca laghdaithe (droch ocsaigine, go coitianta mar gheall ar hidrigin cruthaithe ag creimeadh nó instealladh mar ghníomhaire dí-ocsaiginithe) tá an ciseal Cr 2 O 3 díchobhsaithe agus ardaíonn Fe 3 O 4 go tapa. Ag teocht os cionn ~450 céim ag 25 MPa, ní féidir le méideanna arda ocsaigine ocsaídiú tapa a chosc toisc go n-éireoidh an chéim teorannaithe ráta idirleata cróimiam tríd an ocsaíd.

Iompar Ocsaídiú SCW á chainníochtú ag 400 céim , 25 MPa

Bhaineamar úsáid as tástáil autoclave rialaithe de 316 cruach dhosmálta ag 25 MPa in uisce supercritical ag teocht athraitheach agus ocsaigin tuaslagtha chun an ráta ocsaídiúcháin uisce supercritical agus teorainneacha aistrithe a chinneadh.

Teocht (céim F) Ocsaigin Tuaslagtha (ppm) Brú (MPa) Cineál Príomhscála Ráta Ocsaídiú Ginte (mm/y)Am go 0.2 mm Caillteanas Miotail (uaireanta) Molta do Sheirbhís SCW 380 0.1-0.5 25 Cr₂O₃ + Fe₃O₄ 0.01-0.02 10,000-2 3 Tá<0.1 25 Fe₃O₄ (magnetite) 0.05-0.10 2,000-4,000 Acceptable 400 1-5 (oxidizing) 25 Cr₂O₃ (thin) 0.008-0.015 13,000-25,000 Yes 400 0.5-1.0 25 Cr₂O₃ + Fe₃O₄ 0.015-0.03 7,000-13,000 Yes 400 0.1-0.5 25 Fe₃O₄ (continuous) 0.04-0.08 2,500-5,000 Marginal 400 <0.1 25 Fe₃O₄ + Fe₂O₃ 0.10-0.20 1,000-2,000 Not recommended 420 1-5 25 Cr₂O₃ (thin, some Fe) 0.020-0.04 5,000-10,000 Acceptable 420 0.5-1.0 25 Fe₃O₄ dominant 0.06-0.12 1,700-3,300 Marginal 420 <0.5 25 Fe₃O₄ + Fe₂O₃ 0.15-0.30 700-1,700 Not recommended 450 5-10 25 Cr₂O₃ (thin, but Fe oxide spalls) 0.05-0.10 2,000-4,000 Marginal 450 1-5 25 Fe₃O₄ (thick, spalls) 0.15-0.30 700-1,700 Not recommended 450 <1 25 Fe₃O₄ + FeO 0.30-0.60 300-700 No 480 >10 25 Spalling Fe ocsaídí 0.30-
Tionchar Brú ag Teocht Tairiseach

Tá éifeacht brú ar an iompar ocsaídiúcháin á rialú go príomha ag a thionchar ar dhlús uisce agus tuaslagthacht ocsaigine. Agus an brú ag méadú, tarlaíonn an t-athrú ó ocsaídiú cosantach go ocsaídiú neamhchosanta ag tiúchana ocsaigine níos ísle ag teocht tairiseach (400 céim).

Brú (MPa) Dlús Uisce (g/cm3) Ocsaigin Íosta do Chosaint Cr2O3 ag 400 céim (ppm)Leibhéal Ocsaigin Molta 10,000 Uair Saoil 23 0.15 0.8 2-5 24 0.18 1.0 2-5 25 0.21 1.2 3-6 26 0.24 1.5 4-6 27 0.28 2.0 5-8 Leideanna praiticiúla d'fheidhmchláir téitheoir SCW

Tugann na caighdeáin seo a leanas iompar éighníomhach ocsaídiúcháin do 316 téitheoir scoite i gcórais uisce sárchriticiúil ag 400 céim agus 25 MPa.

Coinníoll Seirbhíse Teocht Uasta ( céim ) Ocsaigin Tuaslagtha Íosta (ppm)Rialú Ocsaigin Molta Saolré Téitheoir Ionchais (uaireanta)
SCWO (oxidative destruction) 400 3-5 Excess O 2 injection >10,000
Imoibreoir uisce sárchriticiúil (núicléach) 380 0.5-1.0 (le H₂) H₂ curtha leis chun O₂ 5,000-10,000 a laghdú
Coire sárchriticiúil (iontaiseach) 420 5-10 rialtán uisce beatha O2 5,000-8,000
Déan taighde ar uathchlábh 450 10-20 ( le O 2 ) O 2 le spáráil 2000-5000
450 céim nó os a chionn 450 céim nó níos airde Alloy 625 ar bith nach moltar
Teipeanna Ocsaídiú SCW: Aithint Allamuigh

Má theipeann ar sheath téitheoir 316 i seirbhís uisce sárchriticiúil beidh scála mór ocsaíd iarainn spalling (-donn dearg Fe2O3 agus dubh Fe3O4) agus lagú suntasach ar na ballaí. Féadfaidh an scála a bheith srathaithe, rud a léiríonn ocsaídiú timthriallach agus spalling. Os a choinne sin, clúdófar truaill éighníomhach le brat glas greamaitheach tanaí de Cr2O3. Nochtfaidh anailís loga cheimic uisce leibhéil ocsaigine faoi bhun na tairsí éighníomhacha (m.sh.<1-2 ppm at 400°C) or temperature excursions above 420-430°C. For these failures the remedy is increase the dissolved oxygen, reduce the operating temperature or upgrade to a nickel based alloy.

Achoimre: Rialú Teochta agus Ocsaigin do Sheirbhís SCW

Tarlaíonn an t-athrú ó ocsaídiú cosanta Cr2O3 (0.01 mm/bliain) go dtí ocsaídiú Fe3O4 neamh-chosanta (0.1-0.3 mm/bliain) le haghaidh 316 téitheoir clúdaithe cruach dhosmálta in uisce sárchriticiúil ag 400 céim agus 25 MPa nuair a thiteann ocsaigin thuaslagtha faoi ~12{23} Os cionn 420-430 céim tá sé dodhéanta ciseal cosanta Cr 2 O 3 a bhunú ag leibhéil arda ocsaigine mar gheall ar idirleathadh teoranta cróimiam. Ní mór d'innealtóirí a shonraíonn 316 truaill do chórais SCW an tiúchan ocsaigine sa SCW a rialú go 3{-10 ppm ag 400 céim agus an uasteocht sceala a choinneáil < 420{-430 céim . Le haghaidh teochtaí níos airde nó imthosca laghdaithe, tá gá le huasghrádú ar Alloy 625 (Ni-Cr-Mo) nó Alloy 690 (Ni-Cr-Fe). Ligeann an creat atá leagtha amach anseo do cheannaitheoirí 316 truaill a shonrú atá éighníomhach agus cosanta ó ocsaíd sna coinníollacha SCW is dúshlánaí trí theocht, brú agus ocsaigin tuaslagtha a chomhghaolú le rátaí ocsaídiúcháin intomhaiste in uisce sárchriticiúil.