Przy jakiej konkretnej kombinacji stężenia wodorotlenku sodu i temperatury powierzchni osłony osłona ze stali nierdzewnej 316 o średnicy 1,6 milimetra wymaga wymiany co 12 miesięcy w serwisie podgrzewacza dyszy do czyszczenia zbiornika?

Inżynierowie zajmujący się konserwacją odpowiedzialni za systemy czyszczenia zbiorników w przetwórstwie żywności, produkcji napojów i zakładach chemicznych zwykle wyposażają w elektryczne grzałki zanurzeniowe umieszczane w zbiornikach z roztworem czyszczącym w celu utrzymania temperatury detergentów. Głównym środkiem czyszczącym jest wodorotlenek sodu, zwykle stosowany w stężeniu 2-5% i temperaturze 70-85 stopni. W grzejnikach tych zwykle zastosowano osłonę ze stali nierdzewnej 316 o grubości 1,6 mm, która zapewnia dobry kompromis w zakresie odporności na korozję i trwałości mechanicznej w przypadku uderzeń rozpylonej dyszy. Jednakże zwiększona korozja, spowodowana pewnymi kombinacjami stężenia substancji żrących i wysokiej temperatury powierzchni osłony (gęstość watów), może skrócić żywotność do 12 miesięcy lub mniej. W artykule dokładnie zdefiniowano punkty, w których należy corocznie wymieniać osłonę 316 o grubości 1,6 mm w celu usługi podgrzewania dyszy czyszczącej zbiornik.

Zachowanie korozji żrącej 316 przy wysokich temperaturach powierzchni
W temperaturach do 80 stopni stal nierdzewna typu 316 jest pasywna w roztworach wodorotlenku sodu o stężeniu poniżej 5% i ma szybkość korozji mniejszą niż 0,1 mm/rok. Jednakże wraz ze wzrostem strumienia ciepła wzrasta temperatura powierzchni osłony, a folia pasywna jest mniej stabilna. Szybkość korozji w 3% NaOH przy temperaturze powierzchni 85 stopni jest mniejsza niż 0,1 mm rocznie. Rocznie wzrasta do 0,2-0,4 mm przy 95 stopniach. wynosi 0,5–1,0 mm rocznie przy 105 stopniach. Stawki przekraczają 2 mm/rok przy 115 stopniach. Przy grubości powłoki 1,6 mm penetracja korozji do 1,0 mm (minimalna grubość konstrukcyjna dla większości zastosowań) zajmuje 1-2 lata przy 1 mm rocznie. Szybkość korozji jest rzędu 0,6–0,8 mm rocznie, gdy połączenie stężenia substancji żrącej i temperatury powierzchni powłoki osiąga próg wymiany po 12 miesiącach, który powoduje zużycie ściany o grubości 1,6 mm do 1,0 mm w ciągu 12 miesięcy.

Krytyczne progi przejścia dla 12-miesięcznego okresu użytkowania
Badanie zanurzeniowe 316 próbek w roztworach wodorotlenku sodu w temperaturach odpowiednich do czyszczenia zbiornika wskazuje, że następujące kombinacje stężenia ługu i temperatury powierzchni osłony zapewniają maksymalny okres użytkowania wynoszący 12 miesięcy dla ściany o grubości 1,6 mm:

Stężenie wodorotlenku sodu (% wag.) Temperatura roztworu luzem Temperatura powierzchni osłony przy 8 W/cm2 (wzrost o 20 stopni) Oczekiwana szybkość korozji w temperaturze powierzchni Czas redukcji 1,6 mm do 1,0 mm (utrata 0,6 mm) Żywotność do wymiany 2% 70 stopni 90 stopni 0,15 – 0,25 mm/rok 2,5 – 4 lata 3 – 5 lat 2% 80 stopni 100 stopni 0,30 – 0,50 mm/rok 1,2 – 2 lata 1,5 – 2,5 lat 2% 85 stopni 105 stopni 0,50 – 0,80 mm/rok 0,75 – 1,2 lat 1 – 1,5 roku 3% 70 stopni 90 stopni 0,20 – 0,35 mm/rok 1,7 – 3 lata 2 – 3,5 lat 3% 75 stopni 95 stopni 0,35 – 0,60 mm/rok 1,0 – 1,7 lat 1,2 – 2 lata 3% 80 stopni 100 stopni 0,60 – 1,00 mm/rok 0,6 – 1,0 lat 0,8 – 1,2 lat 4% 65 stopni 85 stopni 0,25 – 0,40 mm/rok 1,5 – 2,4 lat 1,8 – 3 lata 4% 70 stopni 90 stopni 0,40 – 0,70 mm/rok 0,9 – 1,5 lat 1 – 1,8 lat 4% 75 stopni 95 stopni 0,70 – 1,20 mm/rok 0,5 – 0,9 lat 0,6 – 1 rok 5% 60 stopień 80 stopień 0,30 – 0,50 mm/rok 1,2 – 2 lata 1,5 – 2,5 roku 5% 65 stopień 85 stopień 0,50 – 0,85 mm/rok 0,7 – 1,2 roku 0,8 – 1,5 roku 5% 70 stopień 90
W przypadku systemu czyszczenia zbiornika z 3% NaOH o temperaturze nasypowej 80 stopni i grubości osłony 1,6 mm, temperatura powierzchni osłony wynosi około 100 stopni przy 8 W/cm^2. Przewidywane tempo korozji wynosi 0,6–1,0 mm/rok, co powoduje zmniejszenie grubości ścianki z 1,6 mm do 1,0 mm w ciągu 0,6–1,0 lat. Wymiana w ciągu 12 miesięcy jest OK. Gdy temperatura masy zostanie obniżona do 75 stopni, temperatura powierzchni wynosi 95 stopni, a zatem szybkość korozji wynosi 0,35-0,60 mm rocznie, a żywotność wynosi 1,2-2 lata.

12-miesięczna koperta bezpiecznego cyklu wymiany
Poniższa tabela przedstawia maksymalne bezpieczne stężenie wodorotlenku sodu na masie i kombinacje temperatur dla osłony 316 o średnicy 1,6 mm przy różnych gęstościach watów, aby zapewnić co najmniej 12-miesięczny okres użytkowania, zanim zmniejszenie grubości ścianki do 1,0 mm będzie wymagało wymiany.

Wat Gęstość Temp. obj. dla 2% NaOH Temp. obj. dla 3% NaOH Temp. obj. dla 4% NaOH Temp. objętościowo dla 5% NaOH
4 W/cm² (wzrost o 10 stopni) Bezpieczny do 88 stopni Bezpieczny do 82 stopni Bezpieczny do 78 stopni Bezpieczny do 72 stopni 6 W/cm² (wzrost o 15 stopni) Bezpieczny do 83 stopni Bezpieczny do 77 stopni Bezpieczny do 73 stopni Bezpieczny do 67 stopni 8 W/cm² (wzrost o 20 stopni) Bezpieczny do 78 stopni Bezpieczny do 72 stopni Bezpieczny do 68 stopni Bezpieczny do 62 stopnie 10 W/cm² (wzrost 25 stopni) Bezpieczne do 73 stopni Bezpieczne do 67 stopni Bezpieczne do 63 stopni Bezpieczne do 57 stopni 12 W/cm² (wzrost 30 stopni) Bezpieczne do 68 stopni Bezpieczne do 62 stopni Bezpieczne do 58 stopni Bezpieczne do 52 stopni
W przypadku typowego systemu czyszczenia zbiornika z 3% NaOH o temperaturze nasypowej 75 stopni, osłona 316 o grubości 1,6 mm i mocy 8 W/cm² daje temperaturę powierzchniową 95 stopni. Bezpieczna temperatura objętościowa dla 3% NaOH przy 8 W/cm2 wynosi 72 stopnie od tabeli. Grzejnik przekracza bezpieczny limit przy 75 stopniach, a żywotność 12 miesięcy nie jest zapewniona. Zmniejszenie gęstości watów do 6 W/cm2 (wzrost o 15 stopni C) zapewnia bezpieczny limit objętościowy wynoszący 77 stopni C, dlatego 75 stopni C jest OK w przypadku wymiany na 12 miesięcy.

Zmiany projektowe mające na celu wydłużenie okresu użytkowania powyżej 12 miesięcy
Opisano trzy ulepszenia konstrukcyjne, które mogą wydłużyć okres użytkowania, gdy warunki procesu czyszczenia zbiornika wymagają stężeń substancji żrących i temperatur, które ograniczyłyby żywotność osłony 316 o średnicy 1,6 mm do 12-miesięcy. Pierwszym z nich jest obniżenie gęstości watów poprzez zastosowanie grzejnika o dłuższej lub większej średnicy. Zmniejszenie gęstości watów z 8 W/cm2 do 4 W/cm2 zmniejsza wzrost temperatury powierzchni powłoki z 20 stopni do 10 stopni, co odpowiada przejściu z reżimu korozyjnego trwającego 1 rok do reżimu korozyjnego trwającego 2-3 lata w większości stężeń. Drugą zmianą jest dodanie timera, który uruchamia grzałkę tylko wtedy, gdy zbiornik jest aktywnie czyszczony, zamiast utrzymywać temperaturę 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. Praca przerywana skraca czas w podwyższonej temperaturze, wydłużając żywotność kalendarza o współczynnik równoważny cyklowi pracy. Jeśli szybkość korozji na godzinę jest taka sama, grzejnik pracujący 4 godziny dziennie zamiast 24 godzin dziennie będzie działał 6 razy dłużej w ujęciu kalendarzowym. Trzecią zmianą jest dodanie inhibitora korozji do roztworu żrącego. Krzemiany lub fosforany w stężeniu 100–200 ppm mogą zmniejszyć szybkość korozji o 30–50% i zwiększyć żywotność o 40–100%. Jeśli system czyszczenia zbiornika potrzebuje 4% NaOH o temperaturze 80 stopni i działa w sposób ciągły, wątpliwe jest, czy te regulacje przedłużą żywotność 316 powyżej 12 miesięcy. W takich okolicznościach inżynierowie powinni przejść na stopy na bazie niklu, takie jak Alloy 600 lub Alloy 825, które utrzymują szybkość korozji poniżej 0,1 mm rocznie w roztworach zasadowych o stężeniu do 10% w temperaturze 100 stopni C. Zamawiając grzejniki do usługi czyszczenia zbiorników, zawsze należy podać dostawcy maksymalne stężenie substancji żrącej, temperaturę masy, oczekiwany cykl pracy i wymagany okres wymiany. Jeśli producent sugeruje 316 na 4% NaOH w temperaturze 85 stopni bez wyjaśnienia obniżenia wartości znamionowych gęstości mocy lub szacowanej żywotności, to nie udziela kompetentnej porady inżynierskiej. Próg wymiany po 12 miesiącach dla osłony 316 o średnicy 1,6 mm jest przewidywalną funkcją stężenia substancji żrącej, temperatury masy i gęstości w watach. Określając właściwie temperaturę powierzchni osłony i korzystając z szybkości korozji z tabeli, inżynierowie mogą przewidzieć częstotliwość wymiany i budżet na konserwację, unikając nieprzewidzianych awarii grzejników, które mogłyby zakłócić cykle czyszczenia.