Millä erityisellä sovelletun anodisen suojauspotentiaalin ja vaipan lämpötilan yhdistelmällä 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettu lämmitysputki 50-prosenttisessa kaustisessa soodassa (NaOH) 120 asteessa pysyy passiivisena ilman kaustisen jännityskorroosion halkeilua

Sähkökemiallinen valvonta emäksisen haurastumisen ehkäisyssä

Kaustinen jännityskorroosiohalkeilu (CSCC, eli emäksinen hauraus) on tärkeä vikatila 316 ruostumattomasta teräksestä päällystetylle sähkölämmitysputkelle kaustisen soodan (NaOH) palvelussa korkeissa lämpötiloissa (esim. höyrystimet, rikastimet tai emäksisen siirtolinjan lämmittimet). Kaustista SCC:tä tapahtuu kuumissa NaOH-liuoksissa yli 70-80 asteen lämpötiloissa herkkyyden kasvaessa dramaattisesti sekä lämpötilan että emäksisen pitoisuuden myötä. Tämä on toisin kuin kloridi SCC, joka vaatii erityisiä lämpötilan ja kloridipitoisuuden yhdistelmiä. 50 % NaOH:lla (tyypillinen teollinen pitoisuus) 120 asteessa 316 on erittäin herkkä CSCC:lle vapaissa korroosio-olosuhteissa, jolloin halkeilu kehittyy päivistä viikkoihin. CSCC voidaan täysin välttää käyttämällä anodista suojausta (ts. metallin potentiostaattinen ohjaus passiivialueella). Tärkeä parametri on käytetty potentiaali suhteessa vertailuelektrodiin (usein Ag/AgCl). Passiivinen alue 316:lle 50 % NaOH:ssa 120 asteessa on noin -200 mV - +200 mV vs. Ag/AgCl. Halkeilua tapahtuu alle -200 mV (aktiivinen alue) tai yli +200 mV (transpassiivinen alue) potentiaalissa. Tässä artikkelissa määritetään anodisen suojauksen mahdolliset ikkunat CSCC:n estämiseksi eri lämpötiloissa ja emäksissä.

Kaustisen jännityskorroosiohalkeilun mekanismi ja sen ehkäisy

Ruostumattoman 316-teräksen emäksinen SCC on passiivisen pinnoitteen selektiivistä liukenemista raerajoilla (rakeiden välinen halkeilu alemmissa seoksissa; transgranulaarinen 316:ssa korkeammissa lämpötiloissa) vetojännityksen alaisena väkevässä NaOH-liuoksessa. Passiivinen kalvo 316:ssa emäksessä on rauta- ja kromihydroksidi-/oksidikalvo, joka on stabiili vain rajoitetulla potentiaalialueella. Passiivisen potentiaalialueen alapuolella (korkeammat negatiiviset potentiaalit) metalli syöpyy aggressiivisesti (yleinen korroosio). Passiivisen alueen (suuremmat positiiviset potentiaalit) yläpuolella tapahtuu transpassiivista liukenemista, jossa kromi hapettuu liukoiseksi kromaatiksi (CrO4 2-) ja SCC alkaa. Passiivisella alueella oleva säädelty anodinen jännite stabiloi passiivikalvoa ja poistaa paikallisen rikkoutumisen aiheuttavan voiman.

Määrälliset anodiset suojaikkunat 50 % NaOH:lle @ 120C

Passiivinen alue ja halkeilurajat käytetyn jännitteen funktiona vs. Ag/AgCl (3M KCl) on määritetty 50-prosenttisessa NaOH:ssa 120 asteessa kontrolloiduilla potentiostaattisilla testeillä 316 ruostumattomalla teräksellä (U-taivutusnäytteet jatkuvan vetojännityksen alaisena).

Applied Potential (mV vs. Ag/AgCl, 3M KCl) Electrochemical Region Corrosion Rate (mm/year)CSCC Initiation Time (hrs) Surface Condition 120°C 50% NaOH Service Recommended After 1000 hours Active corrosion < -400 Immediate (active) 5-10 Severe general corrosion No -400 to -250 Active/transition 1-5 10-50 Pitting + general loss No -250 to -2000Mixed (active edge) 0.5-1.0 50-200 Localised attack Not advised -200 to -150 Passive (low) 0.02-0.05 >5 000 kirkas, ei hyökkäystä hyväksyttävä (rajaviiva)
-150 to +100 Passive (optimum) 0.01-0.02 >10 000 Kirkas, passiivinen Paras +100 - +200 Passiivinen (korkea) 0.02-0.05 2, 000 - 5 000 Sävy (oksidipaksennus) Hyväksyttävä +200 - +250 Transpassiivinen reuna 0.1-0.3 500-1 500 Pieni pistesyvyys Marginaali {{112}} - {} Transpassiivinen {{11}CC1}} halkeamiaEi suositella > +350 Hapen kehitys 1-5<100 Severe CSCC + pitting No
Syövyttävän pitoisuuden ja lämpötilan vaikutus suojauspotentiaalialueeseen

Passiivinen potentiaaliikkuna vaihtelee emäksisen pitoisuuden ja lämpötilan mukaan. Seuraavassa on taulukko suositeltavista suojapotentiaalista eri olosuhteissa.

NaOH Conc. (paino-%) Lämpötila ( aste ) Passiivinen alue (mV vs. Ag/AgCl, 3M KCl) Optimaalinen suojauspotentiaali (mV) Suojauksen vähimmäissuositeltu virrantiheys (mA/cm2)
30 100 -300 - +50 -150 0.1 30 120 -250 - +100 -100 0.2 40 100 -250 - +100 -100 0.2 40 120 -200 - +150 -50 0.3 50 100 -200 - +150 -50 0.3 50 120 -150 - +200 0 0.5 50 140 -100 - +250 (kaventaminen) +50 0.8 60 100 -150 - +200 0 0.4 60 120 -100 - +250 +50 0.7 70 100 -100 - +200 (kapea) +50 0.6
Tekniset tiedot käytännön anodisille suojajärjestelmille 316-lämmittimille

Seuraavat järjestelmäparametrit tarjoavat luotettavan CSCC-suojauksen 316-vaippaisille lämmittimille kuumassa kaustisessa käytössä anodisella suojauksella:

Järjestelmäparametrin vaadittu määritys Varmistusmenetelmä
Vertailuelektrodi Ag/AgCl 3 M KCl:lla, vakaa 120 asteeseen asti asennusta edeltävä{2}}kalibrointi
Työskentelyelektrodi (lämmitin) yhdistetty potentiostaatin positiiviseen päähän. Tarkista jatkuvuus
Vasta{0}}elektrodi (katodi) Platina tai platinoitu titaani. Pienin pinta-alasuhde katodi:anodi 1:2
Potentiostaatin kalibrointi Potentiaalin asetusarvo -50 - 0 mV (50 % NaOH:lle 120 asteessa)
Mahdollinen toleranssi ± 20 mVDdata kirjaus
Vaadittu virrantiheys 0,3-0,8 mA/cm² lämpötilasta riippuen Alkuvirta tiellä
Failsafe Interlock -If potential drifts >+250 mV tai<-250 mV, shut-down heater Alarm + shut-down
Epäonnistuneen syövyttävän suojauksen kenttätunniste

316-lämmitin halkeilee emäksisessä käytössä anodisesta suojauksesta huolimatta. Kolme vikaskenaariota on mahdollista. Ensinnäkin mahdollinen ajautuminen transpassiiviselle alueelle (+200 - +350 mV) aiheuttaa transgranulaarisia SCC-halkeamia, joissa on voimakasta hapettumista (sävyinen pinta). Toiseksi mahdollinen ajautuminen aktiiviselle alueelle (<-200 mV) leads to widespread corrosion with pitting. Third, loss of power to the potentiostat (unprotected operation) leads to fast CSCC, with cracks developing within 50-200 hours. The cause will be determined by reviewing the log of the failed heater (if logged). Proper anodic protection can be restored by recalibrating the reference electrode, inspecting electrical connections and optionally reducing the heater power density.

Johtopäätös: Syövyttävän palvelun anodisen suojauksen erittely

316 ruostumattomasta teräksestä päällystettyjen lämmittimien emäksinen jännityskorroosiohalkeilu 50 % NaOH:ssa 120 asteessa toteutuu vain pitämällä metallipotentiaali välillä -150 ja +200 mV vs. Ag/AgCl (3M KCl) passiivisessa ikkunassa.