Blog Frans Vos - schadeonderzoek bij warmtewisselaars

Als de natuur zich stilaan de kleurentooi van de herfst aanmeet, kondigt zich tegelijk het stookseizoen aan. Warmtepompen en verwarmingsketels krijgen nog een laatste check-up om paraat te staan van zodra de buitentemperatuur ons dwingt om het knopje ‘uit/aan’ naar ‘aan’ aan te slaan. Welkom aan de huiselijke warmte en aan die knusse patchworkdekentjes voor een surplus aan gezelligheid.

Door: Frans Vos - Materials Consult BV

Nu, hopelijk komt bij die jaarlijkse check-up dan geen onverwacht probleem naar boven. Een lekkage omwille van corrosie, een scheur omwille van thermische schok, of een elektrische schakeling die de pijp aan Maarten geeft, kunnen ons zuur en koud opbreken als we te laat zijn met dat ene jaarlijks weerkerende telefoontje.

!!!Actiepunt!!! Bel NU uw verwarmingsinstallateur voor dat broodnodige check-up bezoek.

Waar wij als particulier veelal enkel in de aanloop naar het koude seizoen voor dergelijke problemen vrezen, is schadepreventie bij het beheer van industriële warmtewisselaars het hele jaar een continue strijd. En ondanks alle inspanningen die inspectie- en onderhoudsdiensten zich getroosten, durft er ook daar wel eens iets mis te lopen. Herfst, winter, lente en zomer, in alle seizoenen gaan we op pad om schade in allerhande types warmtewisselaars te analyseren. We delen hier weer graag twee voorbeelden ‘UIT DE PRAKTIJK’.

Schade aan een roestvast stalen reboiler

Product: Pijpenbundel en bovencollector van een water/stoom-reboiler
Eerste vaststellingen: Kratervormige aantastingen aan de uitlaatzijde van de pijpenbundel en in de wand van de leiding gekoppeld aan de uitlaatcollector
Materiaal: reboiler, alle delen AISI 304L volgens tekening / uilaatleiding collector, 304L volgens de klant, maar…
Omgeving: temperatuur: gemiddeld 85°C / druk: gemiddeld 0.55 barg / chemische stof: vertrouwelijk
Sector: Chemie
Onderzoekstechnieken: Plaatsbezoek, visueel onderzoek, stereomicroscopie, lichtmicroscopie van secties, elektromicroscopie en spectraalanalyse (SEM-EDS)

Belangrijkste conclusies
Op beide plaatsen (de uitgang van de pijpenbundel en de leiding van de uitlaatcollector) blijkt de schade in hoofdzaak te zijn ontstaan omwille van cavitatie. Wat betreft de pijpenplaat is er daarbij ook sprake geweest van een corrosieve aantasting, met name een chloride-geïnduceerde putcorrosie. Verder werden lokaal op de pijpenplaat ook afzettingen aangetroffen, waarbij zich onder enkele van deze afzettingen een oppervlakkige spleetcorrosie (meer specifiek in het Engels, een under-deposit-corrosion) had ontwikkeld. Wat betreft de leiding van de uitlaatcollector werden ook aanwijzingen voor erosie aangetroffen. Voor beide plaatsen was cavitatie echter de dominante faalmodus.

(foto: Detail pijpenbundel reboiler - uitlaatzijde, ©Materials Consult)

Op basis van het lichtmicroscopisch sectie-onderzoek werd wat betreft het materiaal van de uitlaatleiding eveneens een overtallige vorming van korrelgrensprecipitaten vastgesteld. Veelal hangt een dergelijke observatie samen met de al te uitbundige groei van chroomcarbiden op de korrelgrenzen, bij de analyse van roestvast stalen ook wel gekend onder de term ‘sensitisatie’. Opvallend daarbij was dat het overtal aan korrelgrensprecipitaten niet enkel de hitte-beïnvloede zone van de las betrof (Waar een overmatige chroomcarbidenaanwezigheid dan veelal wijst op een overmatige hitteblootstelling bij lassen). Ook ver weg van de las, waar de lashitte geen rol kon hebben gespeeld, werd een overmatige korrelgrensprecipitatie vastgesteld. Blijkbaar was er reeds bij de productie van de leiding een overmatige precipitatie in het basismateriaal van de leiding opgetreden, iets dat naar onze ervaring eerder zelden voorkomt. Een dergelijke mate van korrelgrensprecipitatie brengt een risico op een verlaagde taaiheid en scheurweerstand van het leidingmateriaal met zich mee. En indien het effectief een overmatige chroomcarbideprecipitatie zou betreffen, is mogelijk ook de corrosiebestendigheid van de leiding in het gedrang. Indien de precipitaten inderdaad chroom bevatten, duidt hun overmatige vorming op een verhoogd risico voor het optreden van intergranulaire corrosie, putcorrosie en spleetcorrosie. Het chroom in roestvaste staalsoorten zou immers zoveel mogelijk beschikbaar moeten zijn voor de vorming van chroomoxides in de passivatielaag aan het oppervlak van het roestvaste staal. Het chroom dat vervat zit in de carbiden, dus chemisch gebonden is aan koolstof, is echter niet meer beschikbaar om chroomoxide aan het oppervlak te vormen, waardoor de corrosiebestendigheid afneemt. Maar eerlijk is eerlijk, het SEM-EDS onderzoek liet niet toe om de elementensamenstelling van de precipitaten te bepalen. Hun grootte was te klein in verhouding tot de rest van het hen omringende metaal om betrouwbare EDS-metingen te kunnen uitvoeren. Hierdoor was het niet mogelijk om met de bij schadeonderzoek gangbare analysetechnieken te bewijzen dat het effectief chroomcarbiden betrof. Volgens de technische tekeningen van de reboiler was deze volledig vervaardigd uit roestvast staal AISI 304L, maar wat betreft het materiaal van de aan de uitlaatcollector gekoppelde leiding kon door de klant geen duidelijkheid worden gegeven. De klant ging er vanuit dat dat ook wel roestvast staal AISI 304L zou zijn. Die ‘L’ geeft daarbij aan dat het roestvast staal een verhoudingsgewijs laag koolstofgehalte (≤ 0.03 gew.%) en dus een verlaagd risico op sensitisatie heeft, maar gezien de aangetroffen mate van korrelgrensprecipitatie werd in twijfel getrokken of de uitlaatleiding inderdaad een roestvast staal AISI 304L betrof. Gezien het betreffende leidingstuk sowieso moest worden vervangen, heeft de klant dit echter niet verder laten verifiëren.

Scheurvorming in de ophanghaken van een hangdek

Product: haken voor de ophanging van vuurvast gesteente bovenaan een verbrandingsoven
Eerste vaststellingen: Scheuren en afbreken van verschillende ophanghaken
Materiaal: Volgens de leverancier zou het 1.4828 roestvast staal betreffen
Omgeving: Een gedeelte van de ophanghaken zit ingekapseld in de vuurvaste stenen, het andere gedeelte is blootgesteld aan de omgeving vlak boven het hangdek.
Sector: metaalproductie, verbrandingsoven
Onderzoekstechnieken: Visueel onderzoek, stereomicroscopie, lichtmicroscopie van secties, elektromicroscopie en spectraalanalyse (SEM-EDS), chemische analyse van het staal, ferrietanalyses

(foto: Detail ophangwijze van het vuurvast gesteente in het hangdek, © Materials Consult)

Belangrijkste conclusies

•​ In de overgangszone tussen het vuurvast gesteente en de omgeving vlak daarboven hebben de haken een door corrosie veroorzaakte wanddiktevermindering ondergaan. Deze wanddiktevermindering werd mee in de hand gewerkt door de aanwezigheid van zwavelhoudende componenten op de metalen oppervlakken. De waargenomen aantasting werd minstens gedeeltelijk veroorzaakt door het optreden van condensatie in de ruimte tussen de bovenzijde van het vuurvast gesteente en de eigenlijke bovenwand van de oven. Aangezien er geen monitoring van temperatuur en vochtigheid in die tussenruimte plaatsvond, blijft het echter onduidelijk of het hier een permanent aanwezige vochtigheid betrof, dan wel een intermitterende vochtigheid in afkoelperiodes van de oven. Gezien de aard van de in de oven verbrande stoffen, wijst de aanwezigheid van zwavelhoudende componenten er ook op dat er verbrandingsgassen tot in de ruimte boven het hangdek zijn doorgedrongen. Dit impliceert dat er, naast de natte corrosie omwille van de (tijdelijke) aanwezigheid van condensatie, mogelijk ook sprake was van een hoge-temperatuurcorrosie. Omwille van het ontbreken van een temperatuurmonitoring in de tussenruimte, kon hier echter geen verder uitsluitsel over worden gegeven.

•​ Ook spleetcorrosie heeft een rol gespeeld bij het tot stand komen van de wanddiktevermindering. De roestvast stalen haken zaten met hun onderste gedeelte ingekapseld in het vuurvast gesteente, maar mee omwille van het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt tussen het vuurvast gesteente en de ophanghaken, was er bovenaan het vuurvast gesteente sprake van spleetvormige openingen tussen het gesteente en de ophanghaken, leidend tot opstapeling van corrosie-inducerende stoffen in die openingen, en zo tot spleetcorrosie.

• Bij het lichtmicroscopisch onderzoek van enkele metallografische doorsneden, bleek er bovendien ook sprake te zijn van zwavel-geïnduceerde spanningscorrosie.

•​ Op basis van hun scheurevolutie kon voor een gedeelte van de ophanghaken eveneens worden vastgesteld dat vanuit de spanningscorrosie-geïnduceerde scheuren zich vervolgens ook vermoeiingsscheuren hebben ontwikkeld.

•​ De voormelde schademechanismen werden mee in de hand gewerkt door een inhomogene microstructuur van het staal. Tijdens SEM-EDS onderzoek bleek er immers sprake te zijn van de aanwezigheid van chroomrijke en chroomarme korrels in dezelfde metaalstructuur, vrijwel zeker te wijten aan een ongewenste chroomsegregatie.

(foto: Detail van de breukzone van een ophanghaak van het hangdek​, © Materials Consult)

Er zijn ernstige aanwijzingen dat deze segregatie reeds aanwezig was alvorens het hangdek werd gemonteerd in de oven. Bij het gebruik van austenitische roestvast stalen kan een dergelijke mate van chroomsegregatie in principe wel zijn opgetreden tijdens gebruik in de verbrandingsoven, maar daarvoor zouden in de tussenruimte boven het vuurvast gesteente gedurende langere tijd temperaturen van 400°C of hoger moeten hebben geheerst. Alhoewel er geen temperatuurmonitoring in de tussenruimte plaatsvond, werd op basis van thermische simulaties de kans echter klein geacht dat er in de faalzone (ter herinnering: aan de overgang tussen het vuurvast gesteente en de ruimte erboven) sprake zou zijn van dergelijk hoge temperaturen. Een andere en meer waarschijnlijke mogelijkheid is dat de segregatie is ontstaan tijdens het sinteren van het vuurvast gesteente, waarbij de ophanghaken reeds in het vuurvast materiaal waren ingekapseld voorafgaand aan het sinteren. Bij sinteren wordt de limiet van 400°C immers ruim overschreden. Verder werd het vermoeden dat er iets was fout gelopen bij de productie van de haken nog onderlijnd voor de resultaten van de chemische analyse van het staal van twee haken. In beide gevallen bleek het niet het door de leverancier vooropgestelde 1.4828 roestvast staal, maar een staal met een veel lager chroomgehalte te betreffen. Daar waar 1.4828 roestvast stalen volgens de Europese standaard EN 10088-1 een chroomgehalte tussen 19,0 en 21,0 gew.% zouden moeten vertonen, werd voor beide haken slechts een chroomgehalte van 17,7 gew.% chroom gemeten. Dit verschil impliceert dat het werkelijk gebruikte roestvast staal een substantieel lagere weerstand tegen corrosie vertoonde dan het door de leverancier vooropgestelde 1.4828 roestvast staal.

En daarmee zijn we weer aan het einde van dit artikel en ook aan het einde van de zomerperiode gekomen. Ik wens jullie een heerlijk warme, knusse en gezellige herfst- en winterperiode. Laat die prachtige herfstkleuren en de mooie winterlandschappen maar komen.

En o ja, nog even ter herinnering: NU is het moment om je verwarmingsinstallateur te bellen!