Jaka jest minimalna zalecana grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 dla elektrycznej grzałki zanurzeniowej pracującej w 5% roztworze podchlorynu sodu w temperaturze 40 stopni Celsjusza w przypadku usług produkcji wybielaczy?

Inżynierowie zajmujący się procesami chemicznymi budujący elektryczne grzejniki zanurzeniowe do produkcji podchlorynu sodu, produkcji wybielaczy i systemów dezynfekcji do uzdatniania wody napotykają znaczne przeszkody, gdy używają stali nierdzewnej 316 jako materiału osłony. Podchloryn sodu jest silnym utleniaczem i jest roztworem o wysokim-pH, który agresywnie niszczy wiele metali. 316. Stal nierdzewna jest bardziej odporna niż stal nierdzewna 304 ze względu na obecność molibdenu, ale nadal jest podatna na wżery, korozję szczelinową i pękanie korozyjne naprężeniowe w środowisku podchlorynu, szczególnie w ekstremalnych temperaturach i stężeniach. Grubość ścianki osłony kontroluje naddatek na korozję i, co ważniejsze, czas niezbędny do przeniknięcia miejscowych wżerów przez ścianę. W artykule przedstawiono minimalną zalecaną grubość ścianki dla osłon 316 w rozcieńczonym podchlorynie sodu w oparciu o opublikowane dane dotyczące korozji i doświadczenia terenowe z branży produkcji wybielaczy.

Mechanizmy korozji stali nierdzewnej 316 w roztworze podchlorynu sodu
Podchloryn sodu (NaOCl) jest silnym utleniaczem, który konserwuje warstwę pasywną na stali nierdzewnej 316 w optymalnych warunkach. Jednak kilka warunków sprzyja atakowi zlokalizowanemu. Jon podchlorynowy jest środkiem utleniającym zawierającym-chlorek i dlatego jednocześnie zapewnia agresywny anion chlorkowy i potencjał utleniający wymagany do rozbicia warstwy pasywnej. Wżery 316 mogą następować z szybkością 0,5 – 2,0 mm rocznie przy stężeniach > 1% dostępnego chloru i > 35 stopni. Wżery są bardzo zlokalizowane, wgłębienia osiągają głębokość 1 mm w ciągu kilku miesięcy i mają niewielki wpływ na obszary otaczające wżery. Pojedynczy głęboki wgłębienie w osłonie grzałki zanurzeniowej wystarczy, aby przebić ścianę, co prowadzi do penetracji płynu procesowego, awarii elektrycznej i zanieczyszczenia roztworu podchlorynu jonami metali, które katalizują rozkład. Ogólna szybkość korozji jest zwykle niska<0.05 mm/year, such that wall thickness is destroyed mostly by pitting not by uniform thinning. This means that raising the wall thickness will only help to a limited extent, because a pit developing in a localised weak area will penetrate a 2.0 mm wall only slightly slower than a 1.0 mm wall. The real metric is not the average thickness, but the lack of surface defects and residual stresses, which are the locations of pit initiation.

Wpływ grubości ścianki na czas penetracji wżerów
Po rozpoczęciu wżeru szybkość penetracji wżerów jest w przybliżeniu stała przy danej zawartości podchlorynu i danej temperaturze. Wyniki eksperymentów zanurzeniowych w 5% NaOCl w temperaturze 40 stopni ujawniają inicjację wżerów po 200–500 godzinach dla wypolerowanych próbek 316. Po utworzeniu wżery rosną z szybkością 0,03–0,08 mm na dzień -1 (około 0,9–2,4 mm na miesiąc -1). W tym tempie ścianka o grubości 1,0 mm zostałaby przebita w ciągu 13–33 dni od rozpoczęcia wykopu. Ściana o grubości 2,0 mm wytrzyma 22-67 dni od inicjacji. Żywotność jest sumą czasu inicjacji i czasu propagacji. Całkowita żywotność wynosi około 200–500 godzin+13-33 dni w przypadku osłony o średnicy 1,0 mm, czyli około 20–50 dni. Całkowita trwałość osłony o średnicy 2,0 mm wynosi 200–500 godzin + 22–67 dni lub ~30–80 dni. Grubsza ściana wydłuża żywotność o zaledwie 10–30 dni, co stanowi niewielką poprawę ze względu na dodatkowe koszty materiałów i straty termiczne. Ze względu na krótki okres użytkowania, 316 rzadko jest przeznaczony do ciągłego zanurzenia w podchlorynie sodu o stężeniu większym niż 1% i temperaturze 30 stopni. Jeśli wymagana jest dłuższa żywotność, należy zastosować inne materiały, takie jak tytan lub specjalne stopy.

Zalecenia dotyczące minimalnej grubości ścianki w przypadku zastosowania podchlorynu
Poniższa tabela przedstawia minimalne sugerowane grubości ścianek osłony elektrycznych grzałek zanurzeniowych pracujących w trybie podchlorynu sodu. Wartości opierają się na ciągłej pracy, dobrym projekcie systemu minimalizującym możliwość pęknięć i stagnacji oraz akceptacji stosunkowo ograniczonego okresu użytkowania mierzonego w tygodniach lub miesiącach, a nie latach.

Dostępne stężenie chloru w roztworze Temperatura Oczekiwana szybkość wżerów (po inicjacji) Minimalna zalecana grubość ścianki 316 Minimalna grubość – całkowity oczekiwany okres użytkowania Alternatywne zalecenie
1 – 2% 20 – 30 stopni 0,5 – 1,0 mm/miesiąc 1,6 mm 2 – 4 miesiące Preferowany marginalny tytan
1 – 2% 30 – 40 o C 0,8 – 1,5 mm/miesiąc 2,0 mm 1,5 – 3 miesiące Tytan to dobry wybór
2 – 5% 20 – 30 stopni 0,8 – 1,5 mm/miesiąc 2,0 mm 1,5 – 2,5 miesiąca Tytan niezbędny do niezawodnej pracy
2 – 5% 30 – 40 stopni 1,2 – 2,0 mm/miesiąc 2,5 mm 1 – 2 miesiące Wymagany tytan 5 – 10% 20 – 30 stopni 1,5 – 2,5 mm/miesiąc Niezalecane < 1 miesiąc Użyj tytanu lub stopu C-276
Dowolne stężenie Powyżej 40 stopni 2,0–4,0 mm/miesiąc Tygodnie Niezalecane Ogrzewanie tytanowe lub-metalowe
Serwis okresowy lub okresowy Dowolna temperatura Niższa ze względu na suszenie 1,2 – 1,6 mm Zmienna Dopuszczalna w zastosowaniach niekrytycznych
Stal nierdzewna 316 to zły wybór dla wszelkich usług podchlorynu sodu o stężeniu powyżej 2% lub 30°C, niezależnie od grubości ścianki. Jego krótka żywotność i możliwość szybkiego uszkodzenia wżerowego sprawiają, że nie nadaje się do kluczowych procedur. Tytan (klasa 2 lub klasa 7) wykazuje doskonałą odporność na podchloryn sodu przy szybkości korozji<0.01 mm/year at high concentrations and temperatures. The higher initial cost of titanium – generally 3-5 times that of 316 – is rapidly repaid through prolonged service life and less maintenance.

Modyfikacje konstrukcyjne mające na celu poprawę trwałości osłony 316 w eksploatacji podchlorynowej
Jeśli do obsługi rozcieńczonego podchlorynu wymagany jest 316 ze względu na koszt lub dostępność materiału, cztery zmiany konstrukcyjne mogą wydłużyć żywotność powyżej wartości podanych w tabeli.. 1. Utrzymuj pH podchlorynu powyżej 11. Roztwory podchlorynu sodu o pH mniejszym niż 11 charakteryzują się szybszym rozkładem i są bardziej nieprzyjazne dla stali nierdzewnej. Szybkość wżerów jest zmniejszona o 50-70% dzięki automatycznej kontroli pH z dodatkiem ługu. Druga regulacja polega na tym, aby powierzchnia osłony była możliwie gładka. Wykończenie powierzchni elektropolerowane 316 < 0,2 mikrona Ra jest niższe w porównaniu z materiałem w stanie surowym, co powoduje wydłużenie czasu inicjacji w stosunku 2-4. Ostatnią zmianą jest praca przy najniższej osiągalnej gęstości mocy. Zmniejszenie gęstości watów z 10 W/cm2 do 5 W/cm2 powoduje obniżenie temperatury powierzchni powłoki o 10-15 oC i szybkość wżerów o ~30-40% w reżimie wrażliwości na temperaturę 30-50 oC. Czwartą zmianą jest okresowe czyszczenie powierzchni osłony w celu usunięcia osadów tworzących miejsca powstawania szczelin. Cotygodniowe mycie wodą lub rozcieńczonym kwasem może znacznie wydłużyć żywotność. W przypadku większości zastosowań w produkcji wybielaczy przemysłowych zmiany te nie są wystarczające, aby uczynić 316 niezawodnym materiałem. W przypadku każdego grzejnika, który ma być zanurzony w podchlorynie sodu w celu użycia dłuższego niż sporadyczne, inżynierowie powinni określić osłony tytanowe. Koszt pojedynczej awarii grzejnika 316, obejmujący utratę mocy, zanieczyszczenie roztworu i robociznę związaną z naprawą, jest zwykle większy niż dodatkowy koszt tytanu. Określając usługę podchlorynu, należy zawsze podawać rzeczywiste stężenie, temperaturę i przewidywane dzienne godziny pracy. Dostawca sugerujący 316 do ciągłej pracy podchlorynu w stężeniu powyżej 2%, nie wspominając o ograniczeniach tego materiału, nie oferuje kompetentnej porady inżynierskiej. W przypadkach, gdy tytan jest zbyt drogi, można rozważyć inne metody ogrzewania, na przykład zewnętrzne ogrzewanie zbiornika za pomocą tytanowego wymiennika ciepła lub wtrysk pary, które nie wiąże się z bezpośrednim kontaktem metalu z wrogim roztworem podchlorynu.