Boilerbuizen worden bij uitstek gebruikt voor toepassingen waarbij het de bedoeling is water te verdampen. Bovendien kunnen boilerbuizen ook worden gebruikt voor het geleiden van andere vloeistoffen dan water. Boilerbuizen kunnen worden onderverdeeld in twee subgroepen: de waterpijpketels en de vuurpijpketels. In waterpijpketels stroomt water in de boilerbuizen terwijl de hete gassen de buizen verwarmen en het water verdampen. Een oven in de ketel wordt gebruikt als de primaire warmtebron. In tegenstelling tot waterpijpketels bevatten vuurpijpketels hete gassen. De hete gassen stromen in de vuurpijpketels en verwarmen het omringende water. Voor beide buistypes is het warmtegeleidingsvermogen van het buismateriaal van vitaal belang voor de efficiëntie van het proces.
Aangezien in boilers hoge temperaturen worden bereikt, hebben boilerbuizen te lijden van verschillende soorten beschadigingen. De meest voorkomende beschadigingen bij boilerbuizen, kunnen worden geïllustreerd als corrosie, verbrossing, grafitisering, spanningscorrosie, thermische en corrosievermoeiing, kruip, en spanningsbreuk. De grondoorzaken van deze mechanismen zijn eigenlijk eenvoudig en kunnen worden omschreven als omgevings- en spanningsveroorzaakte effecten. De omgeving waarin boilerbuizen worden geplaatst kan agressieve chemische inhoud en verhoogde temperaturen bevatten. Daarom kunnen zowel chemicaliën als hoge temperaturen de microstructuur en de oppervlaktegesteldheid van de boilerbuizen veranderen. De spanningsveroorzaakte effecten zijn meestal het gevolg van het type vloeistof. Bovendien kunnen interne restspanningen die tijdens lassen of vervormen ontstaan, spanningsvorming in ketelpijpen veroorzaken. In sommige gevallen dragen zowel omgevingsinvloeden als spanningsveroorzaakte effecten bij tot het ontstaan van schade aan de ketelpijpen.
Corrosieschade wordt verwacht bij de meeste technische toepassingen. Vandaar, worden de boilerbuizen ook beïnvloed door corrosieschade. Het materiaal van de ketelpijpen is zeer bepalend voor het type corrosie. In de gevallen waarin een passieve film op het oppervlak van de buis wordt verkregen, is de mogelijkheid van het optreden van putcorrosie groot aangezien niet-homogene aantasting van het oppervlak gemakkelijk is (b.v., 304,304L,316,316L,347 staalsoorten of aluminium en titaniumlegeringen). Putcorrosie is riskant voor kooktoepassingen omdat de detectie van de putjes uiterst moeilijk is. De putjes kunnen dieper zijn en lekkages veroorzaken, wat de efficiëntie van het proces vermindert. Om putcorrosie in de boilerbuizen te voorkomen, moet de halidesamenstelling van het water worden verlaagd en moet ook de zuurstofconcentratie worden verlaagd.
Erosie kan ook de binnenzijden van de ketelpijpen aantasten. De beschadiging van de binnenkant van de buizen leidt tot het uiteindelijke falen. De erosie-corrosie wordt meestal veroorzaakt door het schurende effect van de vaste deeltjes die door de vloeistoffen in de buizen worden opgenomen. De vaste deeltjes slaan neer op de binnenwanden van de buizen, waar abrasie de corrosie versnelt. De verwijdering van de deeltjes van het oppervlak wordt verdubbeld door de effecten van zowel corrosie als abrasie. Op dit punt moet de invloed van de stromingskarakteristiek worden vermeld voor een beter begrip van de erosie-corrosie. De stabiele stroming van de vloeistof wordt gehandhaafd wanneer de laminaire karakteristiek van de stroming gewaarborgd is. Bij de scherpe hoeken van de ketelbuizen kan de stroming van de vloeistof echter veranderen van laminair in turbulent (voor stromingskarakteristieken, zie “getal van Reynold”).
De turbulente stroming genereert een werveling op het oppervlak van de binnenwand, en deze werveling verhoogt de slijtagesnelheid. Een karakteristieke vorm van de turbulente stromingsschade wordt de “hoefijzervorm” genoemd, die aan de binnenwanden van de buizen kan worden waargenomen. De erosie-corrosieschade kan worden voorkomen door het stromingstype van de vloeistoffen te regelen. Bovendien is het type vaste deeltjes in de vloeistoffen van cruciaal belang. Daarom moet men de vaste deeltjes in de vloeistof (meestal water) onder controle houden. Een extra stukje informatie over materiaalkeuze kan voordelig zijn om erosieschade te voorkomen. Veelgebruikte staalsoorten 316L kunnen worden vervangen door duplex roestvast stalen platen 22Cr of 25Cr, die een betere bestandheid hebben tegen abrasieve deeltjes.
De inwendige spanningen van het buismetaal en het corrosieve milieu kunnen het spanningscorrosiescheuren in de ketelbuizen bevorderen. Spanningscorrosie is een goed voorbeeld van de combinatie van milieueffecten (chemische aantasting) en spanningsbijdrage. Wanneer de overblijvende trekspanningen worden gecombineerd met het corrosieve milieu, treedt spanningscorrosie op. Meestal versnellen halogenide-ionen en opgeloste zuurstofionen het spanningscorrosieproces. Bovendien kunnen het ongepaste lassen van de boilerbuizen en het koude vormingsproces residuele trekspanningen in de metalen buis veroorzaken. Het spanningsarm gloeien van de buizen vóór het gebruik vermindert de graad van restspanningen. Bovendien vermindert de vermindering van de opgeloste zuurstofconcentratie en de halogenide-ionen de corrosiesnelheid.
Een van de meest cruciale faalwijzen van de boilerbuizen kan kruip en spanningsbreuk worden genoemd, wanneer de temperatuur van de ketelbuis de veiligheidsgrenzen overschrijdt (voor metalen 0,4°C van de smelttemperatuur). Het scheuren van de ketelbuizen geeft de “visbek”-vorm, die kenmerkend is voor de inspectie van kruipfouten. De belangrijkste oorzaak van de kruipbreuken in pijpleidingen (ketelpijpen) kan worden verklaard als de combinatie van verhoogde temperaturen en externe spanningen (soms kunnen ook restspanningen de kruipschade bevorderen). Als er verstopping optreedt in de ketelbuis, neemt de stroomsnelheid van de vloeistoffen af en stopt de stroming zelfs. Daardoor begint de temperatuur te stijgen. De oorzaak van de verstopping in de ketelbuis kunnen corrosieproducten zijn.
De soorten defecten tijdens deze omstandigheden worden “kortstondige oververhitting” en “langdurige oververhitting” genoemd. De kortstondige oververhitting wordt vaak veroorzaakt door spanningsbreuk wanneer de buis plotseling bezwijkt. De hoeveelheid plastische vervorming is uiterst gering tijdens de oververhitting op korte termijn. Vandaar dat stompe lippen in de vorm van een visbek vaak worden waargenomen (zie figuur 3). Als het opwarmingsproces van de ketelbuis enige tijd in beslag neemt, wordt dit soort defecten “langdurige oververhitting” genoemd. Langdurige oververhitting wordt meestal onderzocht vanwege de kruipmechanismen. In tegenstelling tot de kortstondige oververhitting wordt aan het einde van de langdurige oververhittingsprocessen een grote mate van plastische vervorming waargenomen. De dikte van de binnenwand neemt in de loop van de tijd af als gevolg van de kruip. Vandaar dat dunne lippen in de vorm van een visbek gemakkelijk worden waargenomen (zie figuur 4.)
References
- Cause of Boiler Tube Failures – Chicago Tube & Iron. (2021). Retrieved December 2020, from https://www.chicagotube.com/products-2/boiler-tubing/cause-of-boiler-tube-failures/
- . Macmanis, S. (2021). Corrosion Control in Off-Line Steam Boilers – FMLink. Retrieved December 2020, from https://fmlink.com/articles/corrosion-control-in-off-line-steam-boilers/
- Finding the Root Cause of Boiler Tube Failures. (2021). Retrieved December 2020, from https://www.babcock.com/resources/learning-center/finding-the-root-cause-of-boiler-tube-failure
