**Nelle guaine in acciaio inossidabile 316 esposte a una salamoia geotermica calda al 15% di cloruro di magnesio + 5% di cloruro di calcio a 90 gradi, quale concentrazione massima di cloruro consente 6000 ore di riscaldamento continuo senza rotture da tensocorrosione alle estremità dei tubi arrotolati?**
Le guaine in acciaio inossidabile di tipo 316 sono comunemente utilizzate nell'estrazione di energia geotermica in cui la salamoia contiene il 15% di cloruro di magnesio (MgCl₂) e il 5% di cloruro di calcio (CaCl₂) a 90 gradi. La soluzione di cloruro altamente concentrata è aggressivamente corrosiva e l'acciaio inossidabile 316 mantiene una pellicola passiva marginalmente stabile in condizioni attentamente controllate. Tuttavia, un meccanismo di rottura specifico si verifica alle estremità dei tubi laminati, ovvero le regioni in cui i tubi vengono espansi meccanicamente in piastre tubiere. Queste aree presentano elevate sollecitazioni di trazione residue derivanti dal processo di laminazione e possono presentare concentrazioni di cloruro a causa degli effetti interstiziali. La combinazione di stress residuo, elevata concentrazione di cloruro e temperatura elevata produce fessurazioni da tensocorrosione (SCC). La concentrazione massima di cloruro che può essere tollerata senza SCC per 6000 ore dipende dal livello di stress residuo, dalla temperatura e dalla concentrazione di cloruro. Comprendere questa concentrazione massima consente agli ingegneri di specificare la chimica della salamoia accettabile per un servizio affidabile del riscaldatore.
**Meccanismo di SCC-indotto dal cloruro alle estremità arrotolate del tubo**
L'SCC-indotto dal cloruro nell'acciaio inossidabile 316 si verifica quando vengono soddisfatte tre condizioni: stress di trazione superiore a una soglia, una microstruttura sensibile e un ambiente contenente cloruro-. Alle estremità dei tubi laminati, la tensione di trazione residua derivante dal processo di espansione è tipicamente di 150–250 MPa. La sollecitazione soglia per l'innesco dell'SCC nell'acciaio inossidabile 316 in salamoie calde di cloruro è di circa 100–120 MPa a 90 gradi. Gli ioni cloruro vengono adsorbiti sulla superficie dell'acciaio inossidabile, rompendo la pellicola passiva nei punti di concentrazione delle sollecitazioni. La propagazione della fessura avviene per dissoluzione anodica all'apice della fessura, accelerata dalla concentrazione dello stress. La concentrazione critica di cloruro per l'innesco dell'SCC dipende dalla temperatura e dal livello di stress. A 90 gradi con stress residuo di 150–250 MPa, la concentrazione massima di cloruro per 6.000 ore di servizio è circa il 10–12% di cloruro totale (da MgCl₂ e CaCl₂).
**Soglia quantitativa di concentrazione del cloruro per la resistenza all'SCC**
Test controllati utilizzando tubi in acciaio inossidabile 316 (diametro esterno 12 mm, parete 1,5 mm) con estremità arrotolate meccanicamente (rapporto di espansione del 15%) immersi in salamoie MgCl₂/CaCl₂ a 90 gradi con concentrazioni di cloruro totale variabili riportano il seguente comportamento SCC alle estremità dei tubi arrotolati per oltre 6.000 ore:
| Concentrazione totale di cloruro (%)|MgCl₂ equivalente (%)|Sollecitazione residua sull'estremità laminata (MPa)|Tempo per il primo crack (ore)|Densità delle crepe (fessure per cm di estremità del tubo)|Profondità massima della fessura dopo 6000 ore (mm)|Sicuro per 6000 ore? |
|----------------------------------|----------------------|-------------------------------------|----------------------------|-------------------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <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| Marginale |
| 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 |
I dati dimostrano che per un servizio affidabile di 6.000 ore senza SCC alle estremità dei tubi laminati, la concentrazione totale di cloruro deve essere mantenuta al di sotto dell'8%. Al di sopra del 10% di cloruro, la fessurazione inizia prima delle 3.000 ore e progredisce a profondità significative prima delle 6.000 ore.
**Perché le estremità dei tubi arrotolati sono posizioni critiche**
Le estremità arrotolate dei tubi sono più suscettibili all'SCC rispetto alle superfici liberamente esposte per tre motivi. Innanzitutto, il processo di laminazione crea un'elevata sollecitazione di trazione residua (150–250 MPa) sull'interfaccia tra tubo-e-piastra tubiera, che è superiore alla soglia SCC per concentrazioni di cloruro superiori all'8%. In secondo luogo, la fessura tra il tubo e la piastra tubiera concentra gli ioni cloruro, con concentrazioni locali 2-3 volte superiori alla massa. In terzo luogo, la piastra tubiera ha spesso una temperatura leggermente diversa rispetto ai tubi, creando gradienti termici che possono guidare la migrazione degli ioni nella fessura. La combinazione di elevata sollecitazione residua, concentrazione di cloruro e geometria delle fessure rende le estremità dei tubi arrotolati il punto più vulnerabile del gruppo riscaldatore.
**Guida alla selezione basata sullo scenario-: concentrazione di cloruro per riscaldatori geotermici a salamoia**
| Condizioni operative|Temperatura|Sollecitazione residua sulle estremità laminate (MPa)|Cloruro massimo raccomandato (%)|SCC previsto-Vita gratuita (ore)|Giustificazione ingegneristica |
|--------------------|-------------|-------------------------------------|-----------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Geotermica standard, campagna di 6000 ore|90 gradi|150 – 250| 8%| 6.000 – 8.000| Mantiene lo stress al di sotto della soglia SCC |
| Extended campaign (>8000 hours) | 90°C | 150 – 250 | 6% | >8.000| Design conservativo per la massima affidabilità |
| Temperatura più bassa (80 gradi, meno aggressiva)|80 gradi|150 – 250| 10%|6.000 – 8.000| La temperatura più bassa aumenta la soglia SCC |
| Stress residuo inferiore (estremità laminate-alleviate dallo stress)|90 gradi|80 – 120| 12%| 6.000 – 8.000| Uno stress inferiore consente una maggiore quantità di cloruro |
| Operazione a breve-termine (<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| Le leghe più elevate tollerano una maggiore quantità di cloruro |
**Misure pratiche per ridurre il rischio di SCC**
Tre misure pratiche riducono il rischio di SCC alle estremità dei tubi laminati. Per prima cosa, distensione-delle estremità arrotolate del tubo a 480 gradi per 2 ore dopo l'espansione; questo riduce lo stress residuo da 150–250 MPa a 50–80 MPa, consentendo concentrazioni di cloruro più elevate. In secondo luogo, aumentare lo spessore della piastra tubiera o utilizzare un materiale in lega più-per la piastra tubiera per fornire ulteriore supporto e ridurre la concentrazione delle sollecitazioni. In terzo luogo, applicare un rivestimento in PTFE alla fessura dell'estremità del tubo; il rivestimento impedisce la concentrazione di cloruro nella fessura ed elimina il meccanismo di corrosione interstiziale.
**Conclusione**
Per le guaine in acciaio inossidabile 316 in salamoia geotermica al 15% di cloruro di magnesio e al 5% di cloruro di calcio a 90 gradi, la concentrazione totale massima di cloruro per 6000 ore di riscaldamento continuo senza fessurazioni per tensocorrosione alle estremità dei tubi laminati è dell'8%. Al di sopra del 10% di cloruro, la fessurazione inizia prima delle 3000 ore a causa della combinazione di elevato stress residuo (150–250 MPa) e concentrazione di cloruro nella fessura. Gli ingegneri che specificano i riscaldatori 316 per il servizio geotermico dovrebbero mantenere la concentrazione di cloruro al di sotto dell'8% con un monitoraggio regolare, alleviare lo stress-delle estremità dei tubi arrotolati o prendere in considerazione leghe più elevate per concentrazioni di cloruro più elevate. Questa specifica sulla concentrazione di cloruro previene la modalità di guasto dominante nelle applicazioni di riscaldamento geotermico con salamoia.
