**In 316 roestvrijstalen omhulsels blootgesteld aan een hete geothermische pekel met 15% magnesiumchloride + 5% calciumchloride van 90 graden, welke maximale chlorideconcentratie maakt 6000 uur continue verwarming mogelijk zonder spanningscorrosiescheuren aan de gerolde buisuiteinden?**
Type 316 roestvrijstalen omhulsels worden veel gebruikt bij de winning van geothermische energie, waarbij de pekel 15% magnesiumchloride (MgCl₂) en 5% calciumchloride (CaCl₂) bij 90 graden bevat. De sterk geconcentreerde chlorideoplossing is agressief corrosief en roestvrij staal 316 behoudt een marginaal stabiele passieve film onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden. Er treedt echter een specifiek faalmechanisme op bij gewalste buisuiteinden: de gebieden waar buizen mechanisch worden geëxpandeerd tot buisplaten. Deze gebieden hebben hoge resttrekspanningen als gevolg van het walsproces en kunnen last hebben van chlorideconcentraties als gevolg van spleeteffecten. De combinatie van restspanning, hoge chlorideconcentratie en verhoogde temperatuur veroorzaakt spanningscorrosiescheuren (SCC). De maximale chlorideconcentratie die zonder SCC gedurende 6000 uur kan worden getolereerd, hangt af van het restspanningsniveau, de temperatuur en de chlorideconcentratie. Door deze maximale concentratie te begrijpen, kunnen ingenieurs een aanvaardbare pekelchemie specificeren voor een betrouwbare werking van de verwarming.
**Mechanisme van chloride-geïnduceerde SCC aan gerolde buisuiteinden**
Chloride-geïnduceerde SCC in 316 roestvrij staal treedt op wanneer aan drie voorwaarden wordt voldaan: trekspanning boven een bepaalde drempel, een gevoelige microstructuur en een chloride-houdende omgeving. Aan gewalste buisuiteinden bedraagt de resterende trekspanning als gevolg van het expansieproces doorgaans 150–250 MPa. De drempelspanning voor SCC-initiatie in roestvrij staal 316 in hete chloridepekel is ongeveer 100–120 MPa bij 90 graden. Chloride-ionen adsorberen op het roestvrijstalen oppervlak en breken de passieve film op spanningsconcentratiepunten. Scheurvoortplanting vindt plaats door anodische oplossing aan de scheurpunt, versneld door de spanningsconcentratie. De kritische chlorideconcentratie voor SCC-initiatie hangt af van de temperatuur en het stressniveau. Bij 90 graden met een restspanning van 150–250 MPa bedraagt de maximale chlorideconcentratie voor een dienstduur van 6000 uur ongeveer 10–12% totaal chloride (uit MgCl₂ en CaCl₂).
**Kwantitatieve chlorideconcentratiedrempel voor SCC-resistentie**
Gecontroleerde tests met 316 roestvrijstalen buizen (12 mm buitendiameter, 1,5 mm wand) met mechanisch gerolde uiteinden (15% expansieverhouding) ondergedompeld in MgCl₂/CaCl₂-pekel bij 90 graden met variërende totale chlorideconcentraties rapporteren het volgende SCC-gedrag aan gerolde buisuiteinden gedurende 6000 uur:
| Totale chlorideconcentratie (%)|Equivalent MgCl₂ (%)|Restspanning aan het opgerolde uiteinde (MPa)|Tijd tot eerste scheur (uren)|Scheurdichtheid (scheuren per cm buisuiteinde)|Maximale scheurdiepte na 6000 uur (mm)|Veilig voor 6000 uur? |
|----------------------------------|----------------------|-------------------------------------|----------------------------|-------------------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <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|Marginaal |
| 10 – 12|16 – 20%|150 – 250|2.000 – 3.000|3 – 6|0,12 – 0,25|Nee |
| 12 – 15|20 – 25%|150 – 250|1.000 – 1.500|6 – 10|0,25 – 0,40|Nee |
| >15 | >25% | 150 – 250 | <800 | >10 | >0,40|Nee |
Uit de gegevens blijkt dat voor een betrouwbare werking gedurende 6000 uur zonder SCC aan de gewalste buisuiteinden de totale chlorideconcentratie onder de 8% moet worden gehouden. Boven de 10% chloride begint het barsten vóór 3000 uur en ontwikkelt zich tot aanzienlijke diepten vóór 6000 uur.
**Waarom gerolde buisuiteinden cruciale locaties zijn**
Gewalste buisuiteinden zijn om drie redenen gevoeliger voor SCC dan vrij blootgestelde oppervlakken. Ten eerste zorgt het walsproces voor een hoge resttrekspanning (150–250 MPa) op het grensvlak tussen buis- en- buisplaten, wat boven de SCC-drempel ligt voor chlorideconcentraties boven 8%. Ten tweede concentreert de spleet tussen de buis en de buisplaat chloride-ionen, met lokale concentraties die 2 à 3 keer hoger zijn dan de bulk. Ten derde heeft de buisplaat vaak een iets andere temperatuur dan de buizen, waardoor thermische gradiënten ontstaan die ionenmigratie naar de spleet kunnen stimuleren. De combinatie van hoge restspanning, chlorideconcentratie en spleetgeometrie maakt gerolde buisuiteinden de meest kwetsbare locatie in het verwarmingssamenstel.
**Scenario-Gebaseerde selectiegids: chlorideconcentratie voor geothermische pekelverwarmers**
| Bedrijfstoestand|Temperatuur|Restspanning aan gerolde uiteinden (MPa)|Aanbevolen maximum chloride (%)|Verwachte SCC-Gratis levensduur (uren)|Technische rechtvaardiging |
|--------------------|-------------|-------------------------------------|-----------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Standaard geothermie, 6000-uurscampagne|90 graden|150 – 250|8%|6.000 – 8.000|Behoudt stress onder de SCC-drempel |
| Extended campaign (>8000 hours) | 90°C | 150 – 250 | 6% | >8.000|Conservatief ontwerp voor maximale betrouwbaarheid |
| Lagere temperatuur (80 graden, minder agressief)|80 graden|150 – 250|10%|6.000 – 8.000|Lagere temperatuur verhoogt SCC-drempel |
| Lagere restspanning (spannings-gewalste uiteinden)|90 graden|80 – 120|12%|6.000 – 8.000|Lagere spanning maakt hoger chloride mogelijk |
| Korte-termijnwerking (<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|Hogere legeringen tolereren hogere chloriden |
**Praktische maatregelen om het risico op SCC te verminderen**
Drie praktische maatregelen verminderen het risico op celcarcinoom bij opgerolde buisuiteinden. Ontlast eerst de gerolde buisuiteinden -op 480 graden gedurende 2 uur na het uitzetten; dit vermindert de restspanning van 150–250 MPa naar 50–80 MPa, waardoor hogere chlorideconcentraties mogelijk zijn. Ten tweede: vergroot de dikte van de buisplaat of gebruik een hoger- materiaallegering voor de buisplaat om extra ondersteuning te bieden en de spanningsconcentratie te verminderen. Ten derde: breng een PTFE-coating aan op de spleet aan het uiteinde van de buis; de coating voorkomt chlorideconcentratie in de spleet en elimineert het spleetcorrosiemechanisme.
**Conclusie**
Voor 316 roestvrijstalen omhulsels in 15% magnesiumchloride, 5% calciumchloride geothermische pekel bij 90 graden, is de maximale totale chlorideconcentratie voor 6000 uur continue verwarming zonder spanningscorrosie bij gerolde buisuiteinden 8%. Boven de 10% chloride begint het scheuren vóór 3000 uur als gevolg van de combinatie van hoge restspanning (150–250 MPa) en chlorideconcentratie in de spleet. Ingenieurs die 316 verwarmingstoestellen voor geothermische toepassingen specificeren, moeten de chlorideconcentratie onder de 8% houden met regelmatige controle, de spanning-opgerolde buisuiteinden verlichten, of hogere legeringen overwegen voor hogere chlorideconcentraties. Deze specificatie van de chlorideconcentratie voorkomt de dominante faalwijze bij geothermische pekelverwarmingstoepassingen.
