400 ڈگری اور 25 ایم پی اے میں درجہ حرارت اور دباؤ کے کس مخصوص امتزاج کے تحت 316 سٹینلیس سٹیل ہیٹر میان کو غیر فعال سے فعال آکسیڈیشن اور سنکنرن میں منتقل کرتا ہے۔

پانی کے اہم مقام کے قریب غیر معمولی سنکنرن سلوک

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 >400 ڈگری پر 1-2 پی پی ایم اور 25 ایم پی اے، 316 ایک پتلی، حفاظتی Cr_2O_3 پرت کی نمائش کرتا ہے جس میں پیرابولک آکسیکرن کی شرح ہوتی ہے۔<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.

سپرکریٹیکل واٹر میں آکسیڈیشن میکانزم (SCW)

سپرکریٹیکل واٹر (SCW) ایک گھنا سیال ہے جس کی خصوصیات مائع اور گیس کے درمیان درمیان میں ہوتی ہیں۔ یہ ایک غیر-قطبی سالوینٹ ہے کیونکہ اس کے کم ڈائی الیکٹرک مستقل (≈6 پر 400 ڈگری پر ≈80 کے مقابلے میں 25 ڈگری پر) اور آئنک پرجاتیوں (بشمول سٹینلیس سٹیل کی سنکنرن مصنوعات) میں حل پذیری بہت محدود ہوتی ہے۔ بنیادی طور پر، SCW میں سنکنرن کا طریقہ کار اعلی درجہ حرارت گیس فیز آکسیکرن ہے، لیکن قریب قریب اہم کثافت کے اتار چڑھاو کی اضافی پیچیدگی کے ساتھ۔ آکسیڈائزنگ حالات میں (زیادہ تحلیل شدہ آکسیجن، عام طور پر شامل O2 سے یا پانی کے ریڈیولائسز سے) 316 ایک اندرونی Cr2O3 پرت اور ایک بیرونی Fe3O4 (میگنیٹائٹ) پرت کے ساتھ ایک ڈوپلیکس پیمانہ تیار کرتا ہے۔ اگر Cr 2 O 3 کی تہہ مسلسل ہے تو تحفظ حاصل کیا جاتا ہے۔ حالات کو کم کرنے کی موجودگی میں (خراب آکسیجن، عام طور پر سنکنرن کی وجہ سے پیدا ہونے والی ہائیڈروجن کی وجہ سے یا ڈی آکسیجنیشن ایجنٹ کے طور پر انجکشن کی وجہ سے) Cr 2 O 3 تہہ غیر مستحکم ہو جاتی ہے اور Fe 3 O 4 تیزی سے بڑھ جاتی ہے۔ 25 MPa پر ~450 ڈگری سے زیادہ درجہ حرارت پر، آکسیجن کی زیادہ مقدار تیزی سے آکسیڈیشن کو نہیں روک سکتی کیونکہ شرح کو محدود کرنے والا مرحلہ آکسائیڈ کے ذریعے کرومیم کا پھیلاؤ بن جاتا ہے۔

400 ڈگری، 25 MPa پر SCW آکسیڈیشن رویے کی مقدار درست کرنا

ہم نے متغیر درجہ حرارت پر سپر کریٹیکل پانی میں 25 MPa پر 316 سٹینلیس سٹیل کی کنٹرول شدہ آٹوکلیو ٹیسٹنگ اور سپر کریٹیکل واٹر آکسیڈیشن کی شرح اور منتقلی کی حدود کا تعین کرنے کے لیے تحلیل شدہ آکسیجن کا استعمال کیا ہے۔

درجہ حرارت (ڈگری F) تحلیل شدہ آکسیجن (ppm) پریشر (MPa) پرنسپل اسکیل ٹائپ جنریٹڈ آکسیڈیشن ریٹ (mm/y) وقت سے 0.2 mm دھاتی نقصان (گھنٹے) SCW سروس کے لیے تجویز کردہ 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 سپلنگ Fe آکسائیڈز 0.30-
مستقل درجہ حرارت پر دباؤ کا اثر

آکسیکرن رویے پر دباؤ کا اثر بنیادی طور پر پانی کی کثافت اور آکسیجن کی حل پذیری پر اس کے اثر و رسوخ سے ہوتا ہے۔ دباؤ بڑھنے کے ساتھ، حفاظتی سے غیر{1}}حفاظتی آکسیڈیشن کی طرف سوئچ مستقل درجہ حرارت (400 ڈگری) پر آکسیجن کی کم ارتکاز پر ہوتا ہے۔

پریشر (MPa) پانی کی کثافت (g/cm3) 400 ڈگری پر Cr2O3 تحفظ کے لیے کم از کم آکسیجن (ppm) تجویز کردہ آکسیجن لیول 10,000 گھنٹے لائف 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 ہیٹر ایپلی کیشنز کے لیے عملی تجاویز

مندرجہ ذیل معیارات 400 ڈگری اور 25 MPa پر سپر کریٹیکل واٹر سسٹمز میں 316 شیتھڈ ہیٹرز کے لیے غیر فعال آکسیڈیشن رویہ دیتے ہیں۔

سروس کنڈیشن زیادہ سے زیادہ درجہ حرارت (ڈگری) کم از کم تحلیل شدہ آکسیجن (ppm) آکسیجن کنٹرول تجویز کردہ ہیٹر کی متوقع زندگی (گھنٹے)
SCWO (oxidative destruction) 400 3-5 Excess O 2 injection >10,000
سپرکریٹیکل واٹر ری ایکٹر (جوہری) 380 0.5-1.0 (H₂ کے ساتھ) H₂ کو O₂ 5,000-10,000 کو کم کرنے کے لیے شامل کیا گیا
سپرکریٹیکل بوائلر (فوسیل) 420 5-10 فیڈ واٹر O2 کنٹرول 5,000-8,000
ریسرچ آٹوکلیو 450 10-20 (O 2 کے ساتھ) O 2 sparging 2000-5000
450 ڈگری یا اس سے زیادہ 450 ڈگری یا اس سے زیادہ کوئی بھی تجویز کردہ الائے 625 نہیں۔
SCW آکسیڈیشن کی ناکامیاں: فیلڈ کی شناخت

سپرکریٹیکل واٹر سروس میں ناکام 316 ہیٹر میان میں کافی، تیز آئرن آکسائیڈ پیمانہ (سرخ-بھوری Fe2O3 اور سیاہ Fe3O4) اور کافی حد تک دیوار کمزور ہوگی۔ پیمانہ سطحی ہو سکتا ہے، جو سائکلک آکسیکرن اور اسپلنگ کی نشاندہی کرتا ہے۔ اس کے برعکس، ایک غیر فعال میان Cr2O3 کی ایک پتلی چپکنے والی سرمئی-سبز کوٹنگ سے ڈھکی ہوگی۔ واٹر کیمسٹری لاگ انالیسس آکسیجن کی سطح کو غیر فعالی حد سے نیچے ظاہر کرے گا (مثال کے طور پر،<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.

خلاصہ: SCW سروس کے لیے درجہ حرارت اور آکسیجن کنٹرول

حفاظتی Cr2O3 آکسیڈیشن (0.01 ملی میٹر فی سال) سے غیر-حفاظتی Fe3O4 آکسیڈیشن (0.1-0.3 ملی میٹر فی سال) کی طرف 316 سٹینلیس سٹیل کے بند ہیٹر کو سپر کریٹیکل پانی میں 400 ڈگری پر اور 25 MPa سے کم تحلیل ہونے پر ~1-2 پی پی ایم۔ 420-430 ڈگری سے اوپر کرومیم کے محدود پھیلاؤ کی وجہ سے اعلی آکسیجن کی سطح پر حفاظتی Cr 2 O 3 پرت قائم کرنا ناممکن ہے۔ SCW سسٹمز کے لیے 316 میانوں کی وضاحت کرنے والے انجینئرز کو SCW میں آکسیجن کی ارتکاز کو 3-10 ppm 400 ڈگری پر کنٹرول کرنا چاہیے اور زیادہ سے زیادہ میان کا درجہ حرارت <420-430 ڈگری رکھنا چاہیے۔ زیادہ درجہ حرارت یا کم کرنے والے حالات کے لیے، الائے 625 (Ni-Cr-Mo) یا الائے 690 (Ni-Cr-Fe) میں اپ گریڈ کرنا ضروری ہے۔ یہاں بیان کردہ فریم ورک خریداروں کو 316 میانوں کی وضاحت کرنے کی اجازت دیتا ہے جو انتہائی مشکل SCW حالات میں درجہ حرارت، دباؤ اور تحلیل شدہ آکسیجن کو سپرکریٹیکل پانی میں قابل پیمائش آکسیڈیشن کی شرح سے منسلک کرکے غیر فعال اور آکسائڈ سے محفوظ ہیں۔