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Since geothermal wells are a feasible energy source to replace fossil fuel supply, many technologies have been developed to take advantage of geothermal energy. Nevertheless, service conditions in geothermal facilities are due to the chemical composition of hydrothermal fluids and temperatures, in many cases, extreme in terms of corrosion. Therefore, materials selection based on preliminary material qualification is essential to guarantee a secure and reliable operation of the facilities.
This contribution deals with the evaluation of the corrosion behavior of duplex steel S31803 (318LN, X2CrNiMoN22-5-3, 1.4462) conducted by electrochemical measurements and exposure tests in artificial geothermal waters simulating the conditions in different locations with geothermal potential in Germany.
The duplex steel S31803 shows limited suitability for applications in artificial geothermal waters due to its susceptibility to pitting and crevice corrosion.
For low saline geothermal waters it can be considered suitable at moderate temperatures. Slight crevice corrosion susceptibility needs to be considered.
Results are being incorporated into a materials catalogue for geothermal applications which shall provide basic information for designers and users of geothermal facilities.
Since geothermal wells are a feasible energy source to replace fossil fuel supply, many technologies have been developed to take advantage of geothermal energy. Nevertheless, service conditions in geothermal facilities are due to the chemical composition of hydrothermal fluids and temperatures, in many cases, extreme in terms of corrosion. Therefore, materials selection based on preliminary material qualification is essential to guarantee a secure and reliable operation of the facilities.
The corrosion behavior of different high-alloyed metals including duplex and austenitic stainless steels as well as a nickel alloy have been evaluated in artificial geothermal fluids simulating the conditions in some locations with geothermal potential in Germany as well as two sites in Indonesia.
The suitability of carbon steel 25CrMo4, stainless steels X2CrNiMo17-12-2, X2CrNiMo-22-5, X2CrNiMoCuWN25-7-4 and super austenitic steel X1CrNiMoCu32-28-7 in these geothermal fluids obtained by electrochemical measurements and exposure tests is limited. The nickel alloy NiCr23Mo16Al shows an excellent corrosion resistance against pitting corrosion. Excluding its high cost, it is a very good alternative to be used in the construction of geothermal facilities having highly saline brines. Stainless and duplex steels exhibit a limited corrosion resistance concerning pitting and crevice corrosion.
Beside of the higher alloyed materials, also the low-alloyed steel 25CrMo4 could be employed as a constructional material for the geothermal power plant in stagnant highly acidic non saline environments, as long as the wall thickness of the material vs. corrosion rate is taken into account.
Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.
Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.
In the last years, geothermal power has become a reliable and significant energy source. Because service conditions in geothermal facilities from deeply located aquifers are usually critical in terms of corrosion, materials selection is a very important issue. Preliminary evaluation of the material's suitability represents therefore a valuable strategy to ensure a secure and reliable operation of the facilities. In geothermal applications, the use of high-alloyed materials such as superaustenitic stainless steels, duplex stainless steels, and nickel-based alloys has been considered as a good alternative because of their remarkable corrosion resistance and appropriate mechanical properties. Nevertheless, the corrosion behavior of those metallic materials in geothermal fluids at service conditions has not been determined in many cases. In this work, laboratory tests including electrochemical investigations and exposure tests at 100 degrees C and 150 degrees C (1,500 kPa) showed the limits of suitability concerning localized corrosion of three different, corrosion-resistant alloys in the highly saline fluid of the North German Basin.
The corrosion behavior of carbon Steel and different high-alloyed metals including duplex and austenitic stainless steels as well as a nickel alloy have been evaluated in artificial geothermal fluids simulating the conditions in some locations with geothermal potential in Germany, as well as two sites in Indonesia.
The suitability of low alloyed Steel UNS G41300, stainless steels UNS S31603 UNS S31803, UNS S32760 and super austenitic Steel UNSN08031 in these geothermal waters, investigated by electrochemical measurements and exposure tests, is limited. The nickel based alloy UNS N06059 shows excellent corrosion resistance against pitting corrosion. Excluding its high cost, it is a very good alternative to be used in the construction of geothermal facilities having highly sahne brines. Stainless and duplex steels exhibit a limited corrosion resistance concerning pitting and crevice corrosion.
Besides the higher alloyed materials, also the low-alloyed Steel UNS G41300 could be employed as a constructional material for the geothermal power plant in non-saline environments with moderate pH, as long as the wall thickness of the material vs. corrosion rate is taken into account.