Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 1 -

EC-HbsCC: Excel programma voor berekening van erosiecorrosie op basis van de publicatie van Kastner en Riedle (1986).

In 1982 publiceerden Heitmann en Kastner 1 uitgebreid de resultaten van de erosiecorrosie

experimenten van KWU Siemens. Enkele jaren na deze publicatie hebben Kastner en Riedle 2

(1986) bovenstaande model in een software programma verwerkt. Weer enkele jaren later is het

programma door KWU Siemens tot een uitgebreid software pakket (WATCHEC) omgewerkt dat nu

in veel centrales wordt toegepast.

Met het hedendaagse Excell programma is het mogelijk de complexe formules van Kastner en Riedle in een flexibel programma om te zetten. Op basis van hun publicatie van 1986 is dan ook de EC-HbsCC excell file gemaakt. Eerder werd ook door KEMA al een dergelijke eenvoudige versie gemaakt, KASEC (KEMA Assist System for Erosion Corrosion) (Huijbregts,Uilhoorn en Wels

3 , 1997).

Vooral bij schades is een rekenmodel zeer gemakkelijk om te helpen de oorzaak van de erosie corrosie vast te stellen.

Erosie corrosie experimenteel werk van Kastner en Riedle

In 1982 publiceerden Heitman en Kastner 1 de resultaten van de uitgebreide erosiecorrosie

experimenten van KWU Siemens. Voorbeelden van de meetgegevens zijn gegeven in de figuren 1, 2 en 3.

Figuur 1. De invloed van stroomsnelheid en temperatuur op de erosie corrosie van 15Mo3 volgens de metingen van KWU. (Heitmann, 1982).

Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 2 -

Figuur 2. De invloed van pH waarde en zuurstofgehalte op de erosie corrosie van 15Mo3 volgens de metingen van KWU. (Heitmann

1, 1982).

Figuur 3. De invloed van het Cr+Mo gehalte en de geometrie op de erosie corrosie volgens de metingen van KWU (Heitmann

1, 1982).

Model van Kastner en Riedle voor één fase stroming

Kastner en Riedle 2 stelden op basis van de eerdere meetgegevens een empirisch model op,

weergegeven in onderstaande formules:

∆ϕ = 6,25.kc.{B.eNw

.[1-0,175.(pH-7)2].1,8.e

-0,118.g+1). [f(t)] (1)

Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 3 - De waarden B, N en f(t) zijn geformuleerd als :

B = -10,5.√ h - 9,375.10-4

.T2 + 0,79.T - 132,5 (2)

N = -0,0875.h - 1,275.10

-5.T

2 + 0.01078. T - 2,15 voor 0 < h < 0,5 % (3)

N = (-1,29.10

-4.T

2 + 0,109.T -22,07).0,154.e

-1.2.h voor 0,5< h < 5 % (4)

f(t) = C1 + C2.t + C3.t

2 + C4.t

3 (5)

De waarden C1 , C2 , C3 , en C4 zijn constanten.

C1 = 0,9999934 C2 = - 0,3356901.10

-6 (6)

C3 = - 0,5624812.10

-10 C4 = 0,3849972. 10

-15 (7)

In bovenstaande vergelijkingen zijn onderstaande notaties gebruikt Omschrijving Dimensie Notatie Bijzonderheden materiaalvermindering µg/cm

2/h ∆ϕ De omrekeningsfactor van gr/cm2h

naar mm/jaar is 0,011) Stroomsnelheid m/s w Watertemperatuur °K T T<_ 613

pH -log(H

+) pH 7.0 <_ pH _< 9.39

zuurstofconcentratie µg/kg 0_< g < 30

Geometriefactor (Keller

4 )

Dimensieloos *

kc

Expositietijd Uur T t>200 uur Materiaalfactor (Cr+Mo) % h 0<h<5

* In tegenstelling tot de publicatie van Keller is de Keller-factor door Kastner dimensieloos ingevoerd.

In Figuur 4 zijn de gemeten en berekende materiaalafname weergegeven. De formule (1) is zo opgesteld dat de gemeten materiaalafname conservatief waren, ofwel de berekende waarden waren hoger dan de gemeten waarden.

Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 4 -

Figuur 4. De gemeten en de volgens het KWU model berekende materiaal afnamen (Kastner 4, 1986).

Model van Kastner en Riedle voor twee fasen stroming Ook voor twee fasen stromingen in waterstoom mengsels kan de formule (1) worden toegepast wanneer zogenaamde ringstroming optreedt. Bij ringstroming is er op de pijpwand een dunne snelstromende waterfilm aanwezig. In de formule (1) wordt dan dus niet de medium snelheid ingevuld maar de berekende watersnelheid van de waterfilm op de wand. Kastner en Riedle berekende deze met behulp van de vergelijkingen van Rouhani

5 .

De snelheid van de waterfilm wordt berekend met de formule : WF=(m'/ ρW)*(1-x)/1- α) (8) De volume fractie van de stoom wordt berekend met de vergelijkingen 9, 10 en 11 die door Rouhani zijn gegeven: α =(x/ ρD)/(C*((x/ ρD)+(1-x)/ ρW)+ wrel /m') (9) Voor de waarde van C geldt de formule:

Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 5 - C= 1+0.12*(1-x) (10) Voor de relatieve watersnelheid geldt de formule:

wrel =((1,18/ ρW 0,5

)*(g' * σ *( ρW - ρD))0,25

)*(1-x) (11)

Bij dimensieanalise van vergelijking 11 blijkt dat de waarde 0,25 een drukfout is. Dit getal moet worden gecorrigeerd in 0,5. Dit werd door de auteur (Riedle) bevestigd.

.

De waarden voor stoom dichtheid bij verzadiging en water dichtheid bij de opgegeven temperatuur worden afgelezen uit de stoomtabel. Een addertje onder het gras is nog wel dat de waterkwaliteit in de waterfilm duidelijk kan verschillen van die van het totale water-stoom mengsel. Door de verschillen in verdelingcoëfficiënt van het alkaliseringmiddel (bv ammonia, morpholine, hydrazine) en het zuurstof gehalte kunnen de chemische condities in de waterfilm duidelijk verschillen met de gemiddelde waarde van het water-stoom mengsel en dus ook een aanleiding zijn voor hoge erosiecorrosie snelheden. In het Siemens model wordt dan

ook uitgegaan van een pH=7 en een zuurstofgehalte van 0 µg/kg.

EC-HbsCC excell file gebruiksaanwijzing. Met het hedendaagse Excell programma is het mogelijk de complexe formules van Kastner en Riedle in een flexibel programma om te zetten. Op basis van hun publicatie van 1986 is dan ook de EC-HbsCC excell file gemaakt. Gebleken is dat in de publicatie één klein drukfoutje zat dat bij de berekeningen is gecorrigeerd, dit in overleg met de auteur van het artikel, de Hr Riedle. Lof voor zijn reactie. De gebruiksaanwijzing is eenvoudig.

1. In het “Start” blad zijn de rode cijfers de input gegevens. Er is keuze uit “Main Choice”, “Choice 1” en “Choice 2”. Op deze wijze kunnen de EC waarden snel worden vergeleken.

2. Voor twee fasen stroming moet de snelheid uit de Grafiek “2 Phase Flow” worden afgelezen.

Omschrijving Notatie Dimensie Waarde Referentie Stoom dichtheid bij verzadiging

ρD kg/m3 Stoomtabel

Water dichtheid ρW kg/m3 Stoomtabel

Mass flow m' kg/m2/s

Stoomfractie (massa) x

Diameter D mm

Oppervlaktespanning (kracht)

σ kg/m 7.30E-03 Prins pg 18

Zwaartekracht constante

g* m3/s

2/kg 6.67E-11 Prins pg 173

Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 6 -

3. Figuren worden gegenereerd met de “Main Choice” gegevens in het start blad. De volgende grafieken zijn mogelijk: De Erosie Corrosie snelheid tegen Cr+Mo gehalte van het staal De Erosie Corrosie snelheid tegen zuurstof gehalte De Erosie Corrosie snelheid tegen de stroomsnelheid De Erosie Corrosie snelheid tegen pH waarde De Erosie Corrosie snelheid tegen Keller getal De Erosie Corrosie snelheid tegen Temperatuur

4. Rekenbladen en formules zijn verborgen en kunnen niet worden gewijzigd. Ze zijn beveiligd

met een wachtwoord.

Referenties

1. Heitmann und Kastner (1982), VGB Kraftwerkstechnik 62 , H. 3, pg. 211-219. 2. Kastner W. , Riedle K. Empiracal Model for the Calculation of Material Losses due to

Corrosion Erosion, VGB Kraftwerksrtechnik 66, nr 12, dec 1986, pg 1023-1029

3. Huijbregts W.M.M., Uilhoorn F., Wels H.C. (1997), "Erosion-corrosion in heat exchangers, the

value of material specification", Euromat , Maastricht

4. Keller H. (1974), “Erosionskorrosion in Nassdampfturbinen” VGB Kraftwerkstechnik 54, 5, pg 292-295

5. Rouhani Z. , Modified Correlations for Void and Two-Phase Pressure Drop. AE-RTV-841 (1969).

Nog enkele schadegevallen. Met bovenstaand rekenmodel kunnen de verschillende invloedsfactoren goed worden ingeschat. Bij

de experimenten van KWU Siemens werden de elementen Cr en Mo in de correlatieformules opgenomen. Het element Cu werd daarbij veronachtzaamd. In de uitgebreide erosie-corrosie experimenten bij KEMA werd vastgesteld dat het element Cu 40%

meer effect had op de erosie-corrosie weerstand van het C-staal dan het element Cr. Deze relatieve erosieweerstand van de stalen werd uitgedrukt in onderstaande Cr-equivalent formule:

Cr-equivalent = Cr +1.4 Cu + 0.3 Mo - 0.3 C > 0.09 Door van de stalen van schadegevallen en niet-schadegevallen het Cr-equivalent te bepalen bleek dat de stalen van de schadegevallen over het algemeen een Cr-equivalent lager dan 0.09 bezaten. Alleen in bijzonder sterk erosie corrosieve condities (bv zeer hoge snelheden) treedt ook onder deze condities aantasting op. Zie de voorbeelden op pg 10. Hieronder enkele voorbeelden van deze cases. Zie voor meer erosie-corrosie informatie de eerder uitgebrachte publicaties (papers nr: 21, 22, 27, 28, 46, 47, 58 en 60 op website www.hbscc.nl )

Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 7 -

Twee sterk door erosiecorrosie aangetaste schakelarmen van voedingwaterpompen. Foto links: Schakelarm na 10000 uur aangetast.(foto's KEMA). (2.83)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.01 0.01 0.005 0.09 -0.0015

Foto rechts: Schakelarm na 40000 uren in bedrijf. (2.108)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.025 0.03 0.02 0.06 0.055

Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 8 -

Natte stoom pijpen. (foto KEMA) Aangetaste plaat (2.89-1)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.01 0.02 0.003 0.17 -0.0121

Niet aangetaste platen (2.90 en 2.89-2)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.04 0.11 0.01 0.14 0.155

Hoge druk waterafscheider met tijger vel erosie patroon. (foto KEMA) (2.88).

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.01 0.04 0.003 0.15 0.0219

Gelaste platen in een waterafscheider. (foto KEMA) Niet-aangetaste plaat (2.120-2)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.1 0.21 0.02 0.12 0.364

Aangetaste plaat (2.120-1)

0.01 0.006 0.01 0.12 -0.0146

Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 9 -

Ontmantelde voorwarmer was gebouwd met 2 verschillende staal heats. (foto KEMA) Aangetaste pijpen (2.69-1A)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.03 0.03 0.01 0.12 0.039

Niet-aangetaste pijpen (2.69-2B)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.07 0.04 0.02 0.12 0.096

Steam blanketing aan de binnenzijde en erosie-corrosie aan de buitenzijde van de pijp. (foto KEMA) (2.131-2)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.005 0.02 0.005 0.12 -0.0015

Wally Huijbregts 30-1-2008 Huijbregts Corrosion Consultancy E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 10 -

Spindel (foto KEMA). (2.114)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.02 0.05 0.02 0.01 0.093

Buffle plaat voor uitstromende stoom in proefketel KEMA.(foto KEMA). (2.133)

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.07 0.07 0.02 0.12 0.138

Erosie corrosie achter stomplassen.(foto KEMA). Sterke aantasting (1.123)

Aantasting (1.125)

Geen aantasting (1.127).

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.02 0.04 0.3 0.14 0.124

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.03 0.03 0.36 0.14 0.138

Cr Cu Mo C Cr-eq.

0.06 0.09 0.36 0.14 0.252