Welche Art von lokaler Korrosion tritt besonders wahrscheinlich an der Flüssigkeitsumleitungsstelle in einem Vierwegeverbinder auf?

I. Das 4-Wege-T-Stück: Ein Hochrisikoknoten in Rohrleitungssystemen

Die 4-Wege-T-Stück , das als Kernkomponente für konvergierende und divergierende Strömungen in komplexen Fluidnetzwerken dient, ist einer einzigartigen Kombination aus mechanischer Beanspruchung, Fluiddynamik und korrosiven Faktoren ausgesetzt. Seine ausgeprägte Geometrie macht ihn zu einem Hochrisikoknoten innerhalb des gesamten Systems.

Im Gegensatz zu geraden Rohrabschnitten kommt es im Inneren eines 4-Wege-T-Stücks zu einer heftigen Kreuzung und scharfen Drehung von vier Strömungskanälen innerhalb einer zentralen Kammer. Diese spezifische Innengeometrie gilt insbesondere an den Zweigeinlässen, wo die Flüssigkeit einem scharfen Druck ausgesetzt ist 90∘ Eine Richtungsänderung führt zu abrupten Änderungen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und des Drucks. Folglich löst diese Geometrie bestimmte Arten lokaler Korrosion aus. Diese lokalisierten Formen weisen deutlich höhere Korrosionsraten auf als allgemeine Korrosion, was leicht zu Perforationen durch die Wand und katastrophalen Ausfällen führen kann.

II. Hauptarten lokaler Korrosion in Strömungsumkehrzonen

In den Strömungsumkehrzonen von 4-Wege-T-Stücken sind zwei der am weitesten verbreiteten und zerstörerischsten Arten lokaler Korrosion die strömungsbeschleunigte Korrosion (FAC) und die Erosionskorrosion.

2.1 Strömungsbeschleunigte Korrosion (FAC)

2.1.1 Professioneller Mechanismus von FAC

Strömungsbeschleunigte Korrosion, früher manchmal, aber fälschlicherweise, als Erosionskorrosion bezeichnet, wird in der modernen Korrosionswissenschaft heute eindeutig klassifiziert. FAC beschreibt in erster Linie das Phänomen, dass sich die schützende Oxidschicht auf der Metalloberfläche (z. B. Magnetit) bildet Fe3​O4​ auf Stahl) wird entweder chemisch gelöst oder aufgrund der erhöhten Flüssigkeitsgeschwindigkeit und Turbulenz schneller mechanisch entfernt, wodurch die Korrosion des Grundmetalls beschleunigt wird.

FAC resultiert aus der Wechselwirkung von elektrochemischer Korrosion und Fluiddynamik. Seine Grundprinzipien sind:

1. Steuerung der Stoffübertragungsrate: In neutralen oder schwach alkalischen wässrigen Lösungen (z. B. Kesselspeisewasser, Kondensat) wird die Metallkorrosionsrate häufig durch die Stoffübertragungsrate von gelöstem Sauerstoff oder hydratisierten Ionen zur Metalloberfläche gesteuert. Die hohe Turbulenz innerhalb der Wendezone eines 4-Wege-T-Stücks verdünnt die Oberflächendiffusionsschicht (Nernst-Diffusionsschicht) erheblich.

2. Beschleunigte Auflösung der Oxidschicht: Eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Turbulenz, insbesondere in sauerstoffarmem oder sauerstofffreiem hochreinem Wasser, beschleunigt die Auflösung der schützenden Oxidschicht in Form löslicher Ionen in der Hauptflüssigkeit.

3. Freilegung des Substrats: Sobald die Schutzschicht entfernt wird, korrodiert das freiliegende Grundmetall schnell und bildet eine neue Oxidschicht. Diese neu gebildete Schicht wird jedoch durch die beschleunigte Strömung schnell aufgelöst bzw. entfernt. Dadurch entsteht ein Teufelskreis, der zu einer schnellen Wandverdünnung führt.

2.1.2 Warum 4-Wege-T-Stücke FAC-Hotspots sind

Die turning zone of a 4-Way Tee is a typical FAC hotspot because of:

• Hohe Scherbeanspruchung: Da die Flüssigkeit eine macht 90∘ An der Innenseite des Bogens (insbesondere an den Rändern der Abzweigeinlässe) entstehen wiederum extrem hohe Flüssigkeitsschubspannungen, die direkt die Oxidschicht angreifen.

• Lokalisierte hohe Turbulenz: Lokale Turbulenzen hoher Intensität, die durch Strömungstrennungs- und Rezirkulationszonen gebildet werden, erhöhen die Stoffübertragungsraten erheblich und beschleunigen die Auflösung der Oxidschicht.

2.2 Erosion-Korrosion

2.2.1 Professioneller Mechanismus der Erosion-Korrosion

Unter Erosion-Korrosion versteht man insbesondere den synergistischen Effekt von mechanischem Verschleiß und chemischer Korrosion, wenn das Medium feste Partikel (z. B. Sand, Schlacke, Katalysatorpulver) enthält. Die Partikel prallen mit hoher kinetischer Energie auf die Metalloberfläche.

• Mechanische Erosion: Feste Partikel treffen auf das Metallgitter und lösen es ab oder zerstören es, was zu Materialverlust führt.

• Synergistischer Effekt: Mechanische Erosion beschleunigt die Korrosion: Die Partikeleinschläge entfernen nicht nur die schützende Oxidschicht, sondern legen auch eine frische, aktivere Metalloberfläche frei, wodurch die elektrochemische Korrosionsrate in die Höhe schnellen kann. Gleichzeitig macht die lockere und poröse Beschaffenheit von Korrosionsprodukten diese anfälliger für Auswaschung und Entfernung durch die Partikel, was den Erosionsprozess weiter beschleunigt.

2.2.2 Erosions-Korrosions-Hotspots in 4-Wege-T-Stücken

Bei einem 4-Wege-T-Stück sind die Bereiche mit dem größten Risiko für Erosion und Korrosion die direkten Auftreffpunkte nach der Biegung und der innere Biegungsbereich der Strömungsumlenkung. Aufgrund der Trägheit während der Drehung neigen schwere Partikel dazu, ihren linearen Impuls beizubehalten und treffen mit höheren Geschwindigkeiten und Winkeln auf die gegenüberliegende Innenwand des sich drehenden Zweigs.

Besonders ausgeprägt ist dieses Phänomen bei Systemen, die Schlämme mit hohem Feststoffgehalt fördern oder mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten arbeiten.

III. Andere lokalisierte Korrosionsarten

Zusätzlich zu FAC und Erosionskorrosion können die geometrischen Eigenschaften von 4-Wege-T-Stücken unter bestimmten Medienbedingungen andere Formen lokaler Korrosion auslösen:

3.1 Spaltkorrosion

Wenn das 4-Wege-T-Stück Gewindeverbindungen oder Flanschverbindungen verwendet und sich an den Gewindewurzeln, unter der Dichtung oder in der Schweißzone winzige, schwer zu reinigende Spalten bilden, kann es zu Spaltkorrosion kommen. Innerhalb eines begrenzten Spalts ist die Flüssigkeitserneuerung eingeschränkt, was zu lokalen Veränderungen der Sauerstoffkonzentrationsgradienten, des pH-Werts und der Chloridionenkonzentration führt. Dadurch entsteht eine Korrosionszelle, die zu einer schnellen Auflösung des Metalls im Spalt führt.

3.2 Turbulenzinduzierte Lochfraßkorrosion

Während Turbulenzen häufig die allgemeine Korrosion hemmen, können Turbulenzen bei hochturbulenter Strömung mit hoher Geschwindigkeit in Medien mit hohen Konzentrationen an Chloridionen (z. B. Meerwasser) zu lokaler Erosion auf der Metalloberfläche führen und so winzige aktive Stellen erzeugen. Diese Stellen neigen dazu, sich zu Lochfraßkernen zu entwickeln. Sobald sich eine Grube bildet, treibt ihr autokatalytischer Mechanismus die Korrosion tief in das Material ein und führt schließlich zur Perforation.