Development and evaluation of molten nitrate salt corrosion test methods

Abstract

Molten salt applications are challenging from a material perspective. This degree project was carried out at Alfa Laval to give them a better understanding of the corrosion of solar salt on the standard heat exchanger material stainless steel 321. Similar tests have previously been performed externally. By developing test methods for in-house corrosion testing time and money can be saved.

In this project two corrosion test methods were developed and performed in an off the shelf high temperature oxidation furnace at Alfa Laval. A novel corrosion test method that simulates possible heat exchanger operating conditions with hot air on one side of the sample and salt on the other was developed. For the other test set-up, a sample was immersed in salt. The samples used in both methods were a brazed 321 plate and the salt was a sodium – potassium nitrate mixture (60-40 wt.%). Three test tubes of each set-up were kept in the furnace for 100, 250 and 500 hours at 565 oC. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray (EDX) analysis of corrosion products on stainless steel 321 immersed in salt showed that oxide layers were created. The inner layer is a FexCryOz oxide, and the outer layer is a FexOy oxide, no exact chemical composition could be decided. The thickness of the oxides was measured with a light optical microscope (LOM) and it could be seen that the samples immersed in salt had a thicker oxide than the samples in contact with salt from one side. No explanation for this could be found, but further work will be carried out in order to understand the difference in corrosion rate. The oxides created were not compact and protective, so it is possible to assume that the oxidation would have continued if the exposure time would have been longer. Differential scanning calorimetry (DSC) was performed on the pure sodium nitrate, pure potassium nitrate, a 0 h reference salt mixture and salt from the 500 h brazed 321 bottom tube. The salt chemistry did not change during the experiment as evident from comparison of melting points using DSC. No exact conclusion of how the salt chemistry in the tubes was affected could be drawn, but DSC indicates that nothing major happened.

Designs for re-usable test chambers were evaluated, but no suitable gasket could be found, and a union coupling could not seal properly. Instead, the test tubes were all completely sealed with a welded lid to hinder salt leakage.

Popular Abstract (Swedish)

Det pågår just nu en omställning från fossila till förnyelsebara energiresurser. Exempel på förnyelsebara resurser är sol-, vind- och vattenkraft. Problemet är att energiproduktionen är beroende av att solen skiner, vinden blåser eller att vattnet flödar. Lösningen kan vara att lagra energin i smältsalter. I det här projektet utvecklades metoder för att internt kunna studera smältsaltskorrosion av material avsedda för användning i värmeväxlare i smältsalts-system.

Principen för energilagring i smältsalter är att elektrisk energi omvandlas till värmeenergi. Värmeenergin lagras i smältsalter för att sedan konverteras tillbaka till elektrisk energi och distribueras på nätet. En hög temperatur i energilagringssystemet ökar effektiviteten. Smältsalter har en hög värmekapacitet och dekompositionstemperatur vilket gör att de passar bra till ändamålet. I den här studien användes ett kommersiellt salt bestående av NaNO3/KNO3, 60:40 wt%, och som har de önskvärda termiska egenskaperna.

Det finns dock en del utmaningar med att lagra energi i smältsalter. Värmeväxlarna som är i kontakt med det smälta saltet måste utstå höga temperaturer, hög oxidativ miljö och korrosion. Korrosion är en oönskad oxidation av ett material. Examensarbetet gick ut på att utveckla och utvärdera testmetoder som gör det möjligt att studera smältsaltskorrosion på Alfa Laval. Då dessa tester tidigare utförts externt innebär intern testning en besparing av tid och pengar.

Två olika test metoder utvecklades. En för att simulera en värmeväxlare med smältsalt på ena sidan av provbiten och varm luft på andra sidan. I den andra metoden var provbiten helt nedsänkt i saltet. I båda fallen var provbiten rostfritt stål 321, vilket är ett känt värmeväxlarmaterial på Alfa Laval.

Tanken var att utveckla en öppningsbar provkammare för att kunna återanvända den. Problemet är att smältsaltet har en väldigt låg viskositet vid testtemperaturen 565oC (tänk dig: flyter iväg snabbare än vatten) och därför väldigt svårt att stänga in. Saltet kröp till och med ut genom gängorna på hårt spända bultar och inga packningar kunde täta tillräckligt. För att få behålla saltet i provkamrarna så svetsades ett lock på och de fick sågas upp efter testning.

Det visade sig att det bildades en oxid (som följd av korrosion) på alla provbitar. Korrosionen ökade linjärt med tiden (i testintervallet 100 till 500 h). När oxiden studerades i ett svepelektronmikroskop (förstoring flera tusen gånger) så visade det sig att oxiden bestod av olika skikt och att kemin mellan skikten skiljde sig åt.

Korrosionen gick snabbare på de provbitar som var helt nedsänkta i salt än på de som bara hade salt på ena sidan. Den här upptäckten är viktig att ha med sig när en värmeväxlares förväntade livslängd ska beräknas eftersom alla tidigare externt utförda tester gjorts på nedsänkta provbitar.

• author: Langborger, Johanna
• supervisor: Filip Lenrick
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM10 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Corrosion, Stainless steel 321, Molten salt, Solar Salt, KNO3, NaNO3, Materials Chemistry
• language: English
• id: 9043517
• date added to LUP: 2021-05-03 14:31:26
• date last changed: 2021-05-03 14:31:26