Przy jakiej konkretnej kombinacji stężenia chlorków i temperatury powierzchni płaszcza następuje przejście płaszcza ze stali nierdzewnej 316 o grubości 1,6 milimetra z pasywnej do aktywnej korozji wżerowej w atmosferycznym ogrzewaniu zbiorników magazynowych?

Dla inżyniera procesu odpowiedzialnego za elektryczne grzałki zanurzeniowe w atmosferycznych zbiornikach magazynujących zawierających roztwory zawierające chlorki, takie jak woda produkcyjna, ścieki z odsalania i woda do mycia przemysłowego, różnica między pasywną i aktywną korozją wżerową jest różnicą pomiędzy powłoką ze stali nierdzewnej 316, która wytrzymuje dziesięć lat lub dziesięć tygodni. Jednak warunki w zbiornikach magazynujących powietrze są statyczne lub wolno się zmieniają ze zmiennymi stężeniami chlorków w wyniku parowania i stratyfikacji, podczas gdy świeży roztwór jest w ciągłym kontakcie z płaszczem w systemach z ciągłym przepływem. Typowa grubość ścianki wynosi 1,6 mm. Jest to kompromis pomiędzy wytrzymałością mechaniczną a praktycznym przenoszeniem ciepła. Krytyczna temperatura wżerów i krytyczne stężenie chlorku dla 316 nie są liczbami statycznymi, ale oddziałują ze wzrostem temperatury powierzchni osłony wywołanym przyłożoną gęstością watów. W artykule przedstawiono stężenie chlorków oraz temperaturę powierzchni płaszcza, przy której ścianka o grubości 1,6 mm przechodzi ze stanu pasywnego (szybkość korozji<0.05 mm/year) to active pitting (penetration within months).

Krytyczna temperatura wżerów i interakcja z chlorkiem
Krytyczna temperatura wżerów stali nierdzewnej 316 przy danym stężeniu chlorku to temperatura, w której stabilne wżery mogą zarodkować i rosnąć. Poniżej tej temperatury warstwa pasywna pozostaje nienaruszona, a szybkość korozji jest nieznaczna. Jest to zależność odwrotna. Im wyższe stężenie chlorków, tym niższa krytyczna temperatura wżerów. Krytyczna temperatura wżerów wynosi około 80oC w 100 ppm chlorku. W 1000 ppm chlorku obniża się do 55 stopni. Przy stężeniu chlorku 5000 ppm temperatura spada do 35°C. Przy stężeniu chlorku 10 000 ppm (1% NaCl) krytyczna temperatura wżerów wynosi około 25 stopni. Strumień ciepła z grzałek zanurzeniowych powoduje, że temperatura powierzchni płaszcza jest o 15–40 stopni wyższa od temperatury zbiornika zbiorczego. Temperatura powierzchni płaszcza zbiornika przy 40 stopniach z grzejnikiem o mocy 8 W/cm² może wynosić 60–70 stopni. Jeśli stężenie chlorku w zbiorniku wynosi 1000 ppm, krytyczna temperatura wżerów 55 stopni zostanie przekroczona i inicjacja wżerów nastąpi w ciągu kilku tygodni. Czas do perforacji po rozpoczęciu wżerów zależy od grubości ścianki 1,6 mm, co przy typowym tempie propagacji 0,5–2,0 mm na miesiąc oznacza uszkodzenie w ciągu 1–3 miesięcy.

Krytyczne progi przejścia osłony o grubości 1,6 milimetra
Testy zanurzeniowe na 316 próbkach z polerowaniem powierzchni charakterystycznym dla kształtowanych osłon grzejnika wykazały następujące progi przejścia dla ściany o grubości 1,6 mm przy gęstości watów wynoszącej 6-10 W/cm2. Oczekuje się, że temperatura zbiornika zbiorczego będzie o 10–20 stopni niższa od temperatury powierzchni płaszcza.

Stężenie chlorków (ppm) Krytyczna temperatura wżerów dla 316 (stopni) Minimalna temperatura powierzchni osłony dla przejścia pasywnego-w-aktywne Bezpieczna temperatura zbiornika zbiorczego dla osłony 1,6 mm przy 8 W/cm2 Powyżej oczekiwanej żywotności Przejście
< 100 ppm < 80°C 80°C < 65°C 5-10 years 100 - 500 ppm 65 - 80°C 65 - 80°C < 50 - 65°C 2-5 years 500 - 1,000 ppm 55 - 65°C 55 - 65°C < 40 - 50°C 1-2 years 1,000 - 2,000 ppm 45 - 55°C 45 - 55°C < 30 - 40°C 6-12 months 2,000 - 5,000 ppm 35 - 45°C 35 - 45°C < 20 - 30°C 3-6 months 5,000 - 10,000 ppm 25 - 35°C 25 - 35°C < 10 - 20°C 1-3 months
>10 000 ppm< 25 °CBelow 25 degrees CNot safe regardless of temperature Weeks to months
W przypadku zbiornika magazynowego o temperaturze objętościowej 50°C i płaszczu o grubości 1,6 mm przy 8 W/cm 2 temperatura powierzchni płaszcza wynosi około 65-70°C. Stężenie chlorków musi być mniejsze niż 500 ppm, aby utrzymać się powyżej krytycznej temperatury wżerów. Aktywne wżery rozpoczną się w ciągu kilku tygodni przy kluczowej temperaturze 55 stopni, przy stężeniu chlorków 1000 ppm i temperaturze powierzchni. Jeśli zawartość chlorku w zbiorniku jest większa niż 2000 ppm, 316 nie jest odpowiedni w żadnej praktycznej temperaturze objętościowej, ponieważ temperatura powierzchni płaszcza wymagana do wytworzenia nawet małego przepływu ciepła będzie wyższa od temperatury krytycznej dla wżerów.

Matryca bezpiecznej koperty roboczej o grubości 1,6 milimetra
Poniższa tabela przedstawia maksymalną bezpieczną temperaturę zbiornika zbiorczego dla osłony 316 o średnicy 1,6 mm przy różnych gęstościach watów i stężeniach chlorków. Wartości te zapewniają, że temperatura powierzchni osłony jest co najmniej 5 stopni niższa od krytycznej temperatury wżerów dla danego stężenia chlorku.

Stężenie chlorków (ppm) TEMPERATURA POWIERZCHNI OSŁONY TEMPERATURA POWIERZCHNI OSŁONY TEMPERATURA POWIERZCHNI OSŁONY (5 W/cm2) (8 W/cm2) Maksymalna bezpieczna Maksymalna bezpieczna Maksymalna bezpieczna Maksymalna bezpieczna temperatura w masie 12 W/cm²
Poniżej 100 ppm 75 stopni 65 stopni 60 stopni 50 stopni 100 – 250 ppm 70 stopni 60 stopni 55 stopni 45 stopni 250 – 500 ppm 65 stopni 55 stopni 50 stopni 40 stopni 500 – 750 ppm 60 stopni 50 stopni 45 stopni 35 stopni 750 – 1000 ppm 55 stopni 45 stopni 40 stopni 30 stopni 1000 – 1500 ppm 50 stopni 40 stopni 35 stopni 25 stopni 1500 – 2000 ppm 45 stopni 35 stopni 30 stopni 20 stopni
2000 ppm Nie bezpieczne Nie bezpieczne Nie bezpieczne Nie bezpieczne
Jeśli obliczona temperatura powierzchni osłony jest wyższa niż krytyczna temperatura wżerów dla podanej zawartości chlorków, wówczas w każdym zastosowaniu nie można uniknąć uszkodzeń wżerowych. Grubość ścianki wynosząca 1,6 mm zapewnia pewien czas propagacji, jednakże należy postrzegać grzejnik jako mający skończoną, przewidywalną żywotność mierzoną w miesiącach, a nie latach.

Zmiany projektowe mające na celu uniknięcie przejścia wżerowego
W pobliżu granicy przejścia warunków procesowych z pasywnego do aktywnego można wprowadzić trzy modyfikacje projektu, aby uniknąć wżerów bez zmiany materiału osłony lub grubości ścianki. Pierwszym z nich jest zmniejszenie gęstości mocy. Gdy temperatura powierzchni osłony spadnie o 15–25 stopni przy 5 W/cm² zamiast 10 W/cm², tryb aktywny może zmienić się na tryb pasywny. Druga zmiana polega na zwiększeniu krążenia na całej powierzchni koszulki. Małe mieszadło lub pompa obiegowa może zmniejszyć wzrost temperatury powierzchni osłony o 40-60%, utrzymując osłonę poniżej progu krytycznego nawet przy umiarkowanej gęstości watów. Następną zmianą jest podłączenie sondy monitorującej korozję – maleńkiego odcinka 316 połączonego elektrycznie z osłoną grzejnika. Gwałtowny wzrost prądu galwanicznego oznacza początek aktywnego wżeru i daje wczesne ostrzeżenie o penetracji powłoki. Jeżeli stężenie chlorków w zbiorniku zmienia się ze względu na parowanie lub zmiany partii, inżynierowie powinni wybrać stal 316L z wyższą liczbą równoważną odporności na wżery i rozważyć wymianę na stal nierdzewną 317 (3,5% molibdenu) lub stop 825, aby zapewnić niezawodną i długoterminową pracę. Koszt przyrostowy bardziej odpornego stopu jest na ogół niższy niż koszt pojedynczej awarii wżerowej w zbiorniku magazynowym, obejmującej zanieczyszczenie produktu, opróżnienie zbiornika i wymianę grzałki. • Wybierając grzejniki do zbiorników magazynujących chlorek, zawsze należy zmierzyć rzeczywiste stężenie chlorku w przewidywanej temperaturze roboczej. Oblicz temperaturę powierzchni osłony przy zalecanej gęstości watów. W przypadku długotrwałego stosowania z osłoną 316 o średnicy 1,6 mm zaleca się bufor bezpieczeństwa o wartości co najmniej 10 stopni poniżej krytycznej temperatury wżerów.