400 ডিগ্রী এবং 25 MPa-তে তাপমাত্রা এবং চাপের নির্দিষ্ট সংমিশ্রণের অধীনে 316 স্টেইনলেস স্টীল হিটার শীথ প্যাসিভ থেকে সক্রিয় অক্সিডেশন এবং ক্ষয় পরিবর্তন করে

জল সমালোচনামূলক বিন্দু কাছাকাছি অস্বাভাবিক ক্ষয় আচরণ

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 পিপিএম 400 ডিগ্রি এবং 25 MPa, 316 একটি পাতলা, প্রতিরক্ষামূলক Cr_2O_3 স্তর প্রদর্শন করে যার একটি প্যারাবোলিক অক্সিডেশন হার<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.

সুপারক্রিটিক্যাল ওয়াটারে অক্সিডেশন মেকানিজম (SCW)

সুপারক্রিটিক্যাল ওয়াটার (SCW) হল একটি ঘন তরল যার বৈশিষ্ট্যগুলি একটি তরল এবং একটি গ্যাসের মাঝখানে থাকে। এটি একটি নন-পোলার দ্রাবক কারণ এর নিম্ন অস্তরক ধ্রুবক (≈6 এ 400 ডিগ্রীতে 25 ডিগ্রীতে ≈80 এর বিপরীতে) এবং আয়নিক প্রজাতির (স্টেইনলেস স্টিলের জারা পণ্য সহ) খুব সীমিত দ্রবণীয়তা রয়েছে। মূলত, SCW এর জারা প্রক্রিয়া হল উচ্চ তাপমাত্রার গ্যাস ফেজ অক্সিডেশন, কিন্তু কাছাকাছি জটিল ঘনত্বের ওঠানামার অতিরিক্ত জটিলতার সাথে। অক্সিডাইজিং পরিস্থিতিতে (উচ্চ দ্রবীভূত অক্সিজেন, সাধারণত যোগ করা O2 বা জলের রেডিওলাইসিস থেকে) 316 একটি অভ্যন্তরীণ Cr2O3 স্তর এবং একটি বাইরের Fe3O4 (ম্যাগনেটাইট) স্তর সহ একটি ডুপ্লেক্স স্কেল তৈরি করে। Cr 2 O 3 এর স্তরটি ক্রমাগত থাকলে সুরক্ষা পাওয়া যায়। হ্রাসকারী পরিস্থিতির উপস্থিতিতে (দরিদ্র অক্সিজেন, সাধারণত ক্ষয় দ্বারা সৃষ্ট হাইড্রোজেনের কারণে বা ডিঅক্সিজেনেশন এজেন্ট হিসাবে ইনজেকশনের কারণে) Cr 2 O 3 স্তরটি অস্থিতিশীল হয় এবং Fe 3 O 4 দ্রুত বৃদ্ধি পায়। 25 MPa-তে ~450 ডিগ্রির বেশি তাপমাত্রায়, উচ্চ পরিমাণে অক্সিজেন দ্রুত অক্সিডেসন রোধ করতে পারে না কারণ হার{25}}সীমাবদ্ধ পদক্ষেপটি অক্সাইডের মাধ্যমে ক্রোমিয়ামের বিচ্ছুরণে পরিণত হয়।

400 ডিগ্রী, 25 MPa এ SCW অক্সিডেশন আচরণের পরিমাণ

আমরা পরিবর্তনশীল তাপমাত্রায় সুপারক্রিটিক্যাল জলে 25 MPa তে 316 স্টেইনলেস স্টিলের নিয়ন্ত্রিত অটোক্লেভ টেস্টিং এবং সুপারক্রিটিক্যাল ওয়াটার অক্সিডেশন রেট এবং ট্রানজিশন সীমা নির্ধারণ করতে দ্রবীভূত অক্সিজেন ব্যবহার করেছি।

তাপমাত্রা (ডিগ্রী এফ) দ্রবীভূত অক্সিজেন (পিপিএম) চাপ (এমপিএ) প্রধান স্কেল টাইপ জেনারেটেড অক্সিডেশন রেট (মিমি/ই) 0.2 মিমি ধাতু ক্ষতির সময় (ঘন্টা) SCW পরিষেবার জন্য প্রস্তাবিত 380 0.1-0.5 25 Cr₂O₃ + Fe₃002, হ্যাঁ, {002} 380<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 স্পেলিং ফে অক্সাইড 0.30-
ধ্রুবক তাপমাত্রায় চাপের প্রভাব

অক্সিডেশন আচরণের উপর চাপের প্রভাব প্রধানত জলের ঘনত্ব এবং অক্সিজেন দ্রবণীয়তার উপর প্রভাব দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়। চাপ বৃদ্ধির সাথে সাথে, প্রতিরক্ষামূলক থেকে অ{1}}প্রতিরক্ষামূলক অক্সিডেশনে স্যুইচ স্থির তাপমাত্রায় (400 ডিগ্রি) কম অক্সিজেন ঘনত্বে ঘটে।

চাপ (MPa) জলের ঘনত্ব (g/cm3) 400 ডিগ্রিতে Cr2O3 সুরক্ষার জন্য ন্যূনতম অক্সিজেন (ppm) প্রস্তাবিত অক্সিজেন স্তর 10,000 ঘন্টা জীবন 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 SCW হিটার অ্যাপ্লিকেশনের জন্য ব্যবহারিক পরামর্শ

নিম্নোক্ত মানগুলি 400 ডিগ্রি এবং 25 MPa-এ সুপারক্রিটিক্যাল ওয়াটার সিস্টেমে 316 শীথযুক্ত হিটারগুলির জন্য প্যাসিভ অক্সিডেশন আচরণ দেয়।

সার্ভিস কন্ডিশন সর্বোচ্চ তাপমাত্রা (ডিগ্রী) ন্যূনতম দ্রবীভূত অক্সিজেন (পিপিএম) অক্সিজেন নিয়ন্ত্রণ প্রস্তাবিত হিটারের প্রত্যাশিত জীবন (ঘন্টা)
SCWO (oxidative destruction) 400 3-5 Excess O 2 injection >10,000
সুপারক্রিটিক্যাল ওয়াটার রিঅ্যাক্টর (পারমাণবিক) 380 0.5-1.0 (H₂ সহ) H₂ যোগ করা হয়েছে O₂ 5,000-10,000 কমাতে
সুপারক্রিটিক্যাল বয়লার (ফসিল) 420 5-10 ফিডওয়াটার O2 নিয়ন্ত্রণ 5,000-8,000
গবেষণা অটোক্লেভ 450 10-20 (O 2 সহ) O 2 স্পার্জিং 2000-5000
450 ডিগ্রী বা তার উপরে 450 ডিগ্রী বা তার বেশি যেকোনও প্রস্তাবিত নয় অ্যালয় 625
SCW অক্সিডেশন ব্যর্থতা: ক্ষেত্র সনাক্তকরণ

সুপারক্রিটিক্যাল ওয়াটার সার্ভিসে একটি ব্যর্থ 316 হিটার শীথের যথেষ্ট, স্প্যালিং আয়রন অক্সাইড স্কেল (লালচে-বাদামী Fe2O3 এবং কালো Fe3O4) এবং যথেষ্ট প্রাচীর দুর্বল হবে। স্কেল স্তরিত হতে পারে, চক্রীয় জারণ এবং স্প্যালিং নির্দেশ করে। বিপরীতভাবে, একটি নিষ্ক্রিয় আবরণ Cr2O3 এর একটি পাতলা আনুগত্য ধূসর-সবুজ আবরণ দিয়ে আবৃত হবে। জলের রসায়ন লগ বিশ্লেষণ প্যাসিভিটি থ্রেশহোল্ডের নীচে অক্সিজেনের মাত্রা প্রকাশ করবে (যেমন,<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.

সারাংশ: SCW পরিষেবার জন্য তাপমাত্রা এবং অক্সিজেন নিয়ন্ত্রণ

প্রতিরক্ষামূলক Cr2O3 অক্সিডেশন (0.01 মিমি/বছর) থেকে অ-প্রতিরক্ষামূলক Fe3O4 অক্সিডেশনে (0.1-0.3 মিমি/বছর) 316টি স্টেইনলেস স্টীল ঢেকে রাখা হিটারের জন্য 400 ডিগ্রিতে সুপারক্রিটিকাল জলে এবং 25 MPa দ্রবীভূত হলে দ্রবীভূত হয় ~1-2 পিপিএম। 420-430 ডিগ্রির উপরে ক্রোমিয়ামের সীমিত বিস্তারের কারণে উচ্চ অক্সিজেন স্তরে একটি প্রতিরক্ষামূলক Cr 2 O 3 স্তর স্থাপন করা অসম্ভব। SCW সিস্টেমের জন্য 316 শীথ নির্দিষ্ট করা প্রকৌশলীদের অবশ্যই SCW-তে অক্সিজেনের ঘনত্ব 3-400 ডিগ্রিতে 10 পিপিএম নিয়ন্ত্রণ করতে হবে এবং সর্বোচ্চ শেথ তাপমাত্রা < 420-430 ডিগ্রি রাখতে হবে। উচ্চ তাপমাত্রা বা হ্রাসকারী পরিস্থিতির জন্য, Alloy 625 (Ni-Cr-Mo) বা Alloy 690 (Ni-Cr-Fe) এ আপগ্রেড করা প্রয়োজন৷ এখানে বর্ণিত ফ্রেমওয়ার্ক ক্রেতাদেরকে 316টি খাপ নির্দিষ্ট করতে দেয় যা প্যাসিভ এবং অক্সাইড-সুরক্ষিত সবচেয়ে চ্যালেঞ্জিং SCW পরিস্থিতিতে তাপমাত্রা, চাপ এবং দ্রবীভূত অক্সিজেনকে সুপারক্রিটিকাল জলে পরিমাপযোগ্য অক্সিজেন হারের সাথে সম্পর্কযুক্ত করে।