EC-HbsCC: Excel programma voor berekening van erosiecorrosie ...
EC-HbsCC: Excel programma voor berekening van erosiecorrosie ...
EC-HbsCC: Excel programma voor berekening van erosiecorrosie ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 1 -<br />
<strong>EC</strong>-<strong>HbsCC</strong>: <strong>Excel</strong> <strong>programma</strong> <strong>voor</strong> <strong>berekening</strong> <strong>van</strong><br />
<strong>erosiecorrosie</strong> op basis <strong>van</strong> de publicatie <strong>van</strong> Kastner en<br />
Riedle (1986).<br />
In 1982 publiceerden Heitmann en Kastner 1 uitgebreid de resultaten <strong>van</strong> de <strong>erosiecorrosie</strong><br />
experimenten <strong>van</strong> KWU Siemens. Enkele jaren na deze publicatie hebben Kastner en Riedle 2<br />
(1986) bovenstaande model in een software <strong>programma</strong> verwerkt. Weer enkele jaren later is het<br />
<strong>programma</strong> door KWU Siemens tot een uitgebreid software pakket (WATCH<strong>EC</strong>) omgewerkt dat nu<br />
in veel centrales wordt toegepast.<br />
Met het hedendaagse <strong>Excel</strong>l <strong>programma</strong> is het mogelijk de complexe formules <strong>van</strong> Kastner en Riedle<br />
in een flexibel <strong>programma</strong> om te zetten. Op basis <strong>van</strong> hun publicatie <strong>van</strong> 1986 is dan ook de <strong>EC</strong>-<br />
<strong>HbsCC</strong> excell file gemaakt.<br />
Eerder werd ook door KEMA al een dergelijke eenvoudige versie gemaakt, KAS<strong>EC</strong> (KEMA Assist<br />
System for Erosion Corrosion) (Huijbregts,Uilhoorn en Wels 3 , 1997).<br />
Vooral bij schades is een rekenmodel zeer gemakkelijk om te helpen de oorzaak <strong>van</strong> de erosie<br />
corrosie vast te stellen.<br />
Erosie corrosie experimenteel werk <strong>van</strong> Kastner en Riedle<br />
In 1982 publiceerden Heitman en Kastner 1 de resultaten <strong>van</strong> de uitgebreide <strong>erosiecorrosie</strong><br />
experimenten <strong>van</strong> KWU Siemens. Voorbeelden <strong>van</strong> de meetgegevens zijn gegeven in de figuren 1, 2<br />
en 3.<br />
Figuur 1. De invloed <strong>van</strong> stroomsnelheid en temperatuur op de erosie corrosie <strong>van</strong> 15Mo3 volgens de<br />
metingen <strong>van</strong> KWU. (Heitmann, 1982).
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 2 -<br />
Figuur 2. De invloed <strong>van</strong> pH waarde en zuurstofgehalte op de erosie corrosie <strong>van</strong> 15Mo3 volgens de<br />
metingen <strong>van</strong> KWU. (Heitmann 1 , 1982).<br />
Figuur 3. De invloed <strong>van</strong> het Cr+Mo gehalte en de geometrie op de erosie corrosie volgens de<br />
metingen <strong>van</strong> KWU (Heitmann 1 , 1982).<br />
Model <strong>van</strong> Kastner en Riedle <strong>voor</strong> één fase stroming<br />
Kastner en Riedle 2 stelden op basis <strong>van</strong> de eerdere meetgegevens een empirisch model op,<br />
weergegeven in onderstaande formules:<br />
∆ϕ = 6,25.kc.{B.e Nw .[1-0,175.(pH-7) 2 ].1,8.e -0,118.g +1). [f(t)] (1)
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 3 -<br />
De waarden B, N en f(t) zijn geformuleerd als :<br />
B = -10,5.√ h - 9,375.10 -4 .T 2 + 0,79.T - 132,5 (2)<br />
N = -0,0875.h - 1,275.10 -5 .T 2 + 0.01078. T - 2,15 <strong>voor</strong> 0 < h < 0,5 % (3)<br />
N = (-1,29.10 -4 .T 2 + 0,109.T -22,07).0,154.e -1.2.h <strong>voor</strong> 0,5< h < 5 % (4)<br />
f(t) = C1 + C2.t + C3.t 2 + C4.t 3 (5)<br />
De waarden C 1 , C 2 , C 3 , en C 4 zijn constanten.<br />
C1 = 0,9999934 C2 = - 0,3356901.10 -6<br />
C 3 = - 0,5624812.10 -10 C 4 = 0,3849972. 10 -15 (7)<br />
In bovenstaande vergelijkingen zijn onderstaande notaties gebruikt<br />
Omschrijving Dimensie Notatie Bijzonderheden<br />
materiaalvermindering µg/cm 2 /h ∆ϕ De omrekeningsfactor <strong>van</strong> gr/cm2h<br />
naar mm/jaar is 0,011)<br />
Stroomsnelheid m/s w<br />
Watertemperatuur °K T T
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 4 -<br />
Figuur 4. De gemeten en de volgens het KWU model berekende materiaal afnamen (Kastner 4 , 1986).<br />
Model <strong>van</strong> Kastner en Riedle <strong>voor</strong> twee fasen stroming<br />
Ook <strong>voor</strong> twee fasen stromingen in waterstoom mengsels kan de formule (1) worden toegepast<br />
wanneer zogenaamde ringstroming optreedt. Bij ringstroming is er op de pijpwand een dunne<br />
snelstromende waterfilm aanwezig. In de formule (1) wordt dan dus niet de medium snelheid ingevuld<br />
maar de berekende watersnelheid <strong>van</strong> de waterfilm op de wand.<br />
Kastner en Riedle berekende deze met behulp <strong>van</strong> de vergelijkingen <strong>van</strong> Rouhani 5 .<br />
De snelheid <strong>van</strong> de waterfilm wordt berekend met de formule :<br />
WF=(m'/ ρW)*(1-x)/1- α) (8)<br />
De volume fractie <strong>van</strong> de stoom wordt berekend met de vergelijkingen 9, 10 en 11 die door Rouhani<br />
zijn gegeven:<br />
α =(x/ ρD)/(C*((x/ ρD)+(1-x)/ ρW)+ wrel /m') (9)<br />
Voor de waarde <strong>van</strong> C geldt de formule:
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 5 -<br />
C= 1+0.12*(1-x) (10)<br />
Voor de relatieve watersnelheid geldt de formule:<br />
wrel =((1,18/ ρW 0,5 )*(g' * σ *( ρW - ρD)) 0,25 )*(1-x) (11)<br />
Bij dimensieanalise <strong>van</strong> vergelijking 11 blijkt dat de waarde 0,25 een drukfout is. Dit getal moet<br />
worden gecorrigeerd in 0,5. Dit werd door de auteur (Riedle) bevestigd.<br />
Omschrijving Notatie Dimensie Waarde Referentie<br />
Stoom dichtheid bij<br />
verzadiging<br />
ρD kg/m 3 Stoomtabel<br />
Water dichtheid ρW kg/m 3 Stoomtabel<br />
Mass flow m' kg/m 2 /s<br />
Stoomfractie (massa) x<br />
Diameter D mm<br />
Oppervlaktespanning σ kg/m 7.30E-03 Prins pg 18<br />
(kracht)<br />
Zwaartekracht<br />
constante<br />
g* m 3 /s 2 /kg 6.67E-11 Prins pg 173<br />
De waarden <strong>voor</strong> stoom dichtheid bij verzadiging en water dichtheid bij de opgegeven temperatuur<br />
worden afgelezen uit de stoomtabel.<br />
Een addertje onder het gras is nog wel dat de waterkwaliteit in de waterfilm duidelijk kan verschillen<br />
<strong>van</strong> die <strong>van</strong> het totale water-stoom mengsel. Door de verschillen in verdelingcoëfficiënt <strong>van</strong> het<br />
alkaliseringmiddel (bv ammonia, morpholine, hydrazine) en het zuurstof gehalte kunnen de chemische<br />
condities in de waterfilm duidelijk verschillen met de gemiddelde waarde <strong>van</strong> het water-stoom mengsel<br />
en dus ook een aanleiding zijn <strong>voor</strong> hoge <strong>erosiecorrosie</strong> snelheden. In het Siemens model wordt dan<br />
ook uitgegaan <strong>van</strong> een pH=7 en een zuurstofgehalte <strong>van</strong> 0 µg/kg.<br />
<strong>EC</strong>-<strong>HbsCC</strong> excell file gebruiksaanwijzing.<br />
Met het hedendaagse <strong>Excel</strong>l <strong>programma</strong> is het mogelijk de complexe formules <strong>van</strong> Kastner en Riedle<br />
in een flexibel <strong>programma</strong> om te zetten. Op basis <strong>van</strong> hun publicatie <strong>van</strong> 1986 is dan ook de <strong>EC</strong>-<br />
<strong>HbsCC</strong> excell file gemaakt. Gebleken is dat in de publicatie één klein drukfoutje zat dat bij de<br />
<strong>berekening</strong>en is gecorrigeerd, dit in overleg met de auteur <strong>van</strong> het artikel, de Hr Riedle. Lof <strong>voor</strong> zijn<br />
reactie.<br />
De gebruiksaanwijzing is eenvoudig.<br />
1. In het “Start” blad zijn de rode cijfers de input gegevens. Er is keuze uit “Main Choice”,<br />
“Choice 1” en “Choice 2”. Op deze wijze kunnen de <strong>EC</strong> waarden snel worden vergeleken.<br />
2. Voor twee fasen stroming moet de snelheid uit de Grafiek “2 Phase Flow” worden afgelezen.<br />
.
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 6 -<br />
3. Figuren worden gegenereerd met de “Main Choice” gegevens in het start blad.<br />
De volgende grafieken zijn mogelijk:<br />
De Erosie Corrosie snelheid tegen Cr+Mo gehalte <strong>van</strong> het staal<br />
De Erosie Corrosie snelheid tegen zuurstof gehalte<br />
De Erosie Corrosie snelheid tegen de stroomsnelheid<br />
De Erosie Corrosie snelheid tegen pH waarde<br />
De Erosie Corrosie snelheid tegen Keller getal<br />
De Erosie Corrosie snelheid tegen Temperatuur<br />
4. Rekenbladen en formules zijn verborgen en kunnen niet worden gewijzigd. Ze zijn beveiligd<br />
met een wachtwoord.<br />
Referenties<br />
1. Heitmann und Kastner (1982), VGB Kraftwerkstechnik 62 , H. 3, pg. 211-219.<br />
2. Kastner W. , Riedle K. Empiracal Model for the Calculation of Material Losses due to<br />
Corrosion Erosion, VGB Kraftwerksrtechnik 66, nr 12, dec 1986, pg 1023-1029<br />
3. Huijbregts W.M.M., Uilhoorn F., Wels H.C. (1997), "Erosion-corrosion in heat exchangers, the<br />
value of material specification", Euromat , Maastricht<br />
4. Keller H. (1974), “Erosionskorrosion in Nassdampfturbinen” VGB Kraftwerkstechnik 54, 5, pg<br />
292-295<br />
5. Rouhani Z. , Modified Correlations for Void and Two-Phase Pressure Drop. AE-RTV-841<br />
(1969).<br />
Nog enkele schadegevallen.<br />
Met bovenstaand rekenmodel kunnen de verschillende invloedsfactoren goed worden ingeschat. Bij<br />
de experimenten <strong>van</strong> KWU Siemens werden de elementen Cr en Mo in de correlatieformules<br />
opgenomen. Het element Cu werd daarbij veronachtzaamd.<br />
In de uitgebreide erosie-corrosie experimenten bij KEMA werd vastgesteld dat het element Cu 40%<br />
meer effect had op de erosie-corrosie weerstand <strong>van</strong> het C-staal dan het element Cr.<br />
Deze relatieve erosieweerstand <strong>van</strong> de stalen werd uitgedrukt in onderstaande Cr-equivalent formule:<br />
Cr-equivalent = Cr +1.4 Cu + 0.3 Mo - 0.3 C > 0.09<br />
Door <strong>van</strong> de stalen <strong>van</strong> schadegevallen en niet-schadegevallen het Cr-equivalent te bepalen bleek dat<br />
de stalen <strong>van</strong> de schadegevallen over het algemeen een Cr-equivalent lager dan 0.09 bezaten. Alleen<br />
in bijzonder sterk erosie corrosieve condities (bv zeer hoge snelheden) treedt ook onder deze<br />
condities aantasting op. Zie de <strong>voor</strong>beelden op pg 10.<br />
Hieronder enkele <strong>voor</strong>beelden <strong>van</strong> deze cases. Zie <strong>voor</strong> meer erosie-corrosie informatie de eerder<br />
uitgebrachte publicaties (papers nr: 21, 22, 27, 28, 46, 47, 58 en 60 op website www.hbscc.nl )
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 7 -<br />
Twee sterk door <strong>erosiecorrosie</strong> aangetaste schakelarmen <strong>van</strong> voedingwaterpompen.<br />
Foto links: Schakelarm na 10000 uur aangetast.(foto's KEMA). (2.83)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.01 0.01 0.005 0.09 -0.0015<br />
Foto rechts: Schakelarm na 40000 uren in bedrijf. (2.108)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.025 0.03 0.02 0.06 0.055
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 8 -<br />
Natte stoom pijpen. (foto KEMA)<br />
Aangetaste plaat (2.89-1)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.01 0.02 0.003 0.17 -0.0121<br />
Niet aangetaste platen (2.90 en 2.89-2)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.04 0.11 0.01 0.14 0.155<br />
Hoge druk waterafscheider met tijger vel<br />
erosie patroon. (foto KEMA) (2.88).<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.01 0.04 0.003 0.15 0.0219<br />
Gelaste platen in een waterafscheider. (foto<br />
KEMA)<br />
Niet-aangetaste plaat (2.120-2)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.1 0.21 0.02 0.12 0.364<br />
Aangetaste plaat (2.120-1)<br />
0.01 0.006 0.01 0.12 -0.0146
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 9 -<br />
Ontmantelde <strong>voor</strong>warmer was gebouwd met<br />
2 verschillende staal heats. (foto KEMA)<br />
Aangetaste pijpen (2.69-1A)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.03 0.03 0.01 0.12 0.039<br />
Niet-aangetaste pijpen (2.69-2B)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.07 0.04 0.02 0.12 0.096<br />
Steam blanketing aan de binnenzijde en<br />
erosie-corrosie aan de buitenzijde <strong>van</strong> de<br />
pijp. (foto KEMA) (2.131-2)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.005 0.02 0.005 0.12 -0.0015
Wally Huijbregts 30-1-2008<br />
Huijbregts Corrosion Consultancy<br />
E-mail: whuijbregts@xs4all.nl - 10 -<br />
Spindel (foto KEMA). (2.114)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.02 0.05 0.02 0.01 0.093<br />
Buffle plaat <strong>voor</strong> uitstromende stoom in<br />
proefketel KEMA.(foto KEMA). (2.133)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.07 0.07 0.02 0.12 0.138<br />
Erosie corrosie achter stomplassen.(foto<br />
KEMA).<br />
Sterke aantasting (1.123)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.02 0.04 0.3 0.14 0.124<br />
Aantasting (1.125)<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.03 0.03 0.36 0.14 0.138<br />
Geen aantasting (1.127).<br />
Cr Cu Mo C Cr-eq.<br />
0.06 0.09 0.36 0.14 0.252