Mikä on kriittinen vaipan paksuus 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetulle lämmittimelle 15 % rautakloridietsausliuoksessa 55 asteessa osittaisella upotuksella

Perusvaihto-Aggressive Oxidising Chloride -palvelussa

FeCl3 (ferrikloridi) on yksi syövyttävimmistä yhdisteistä, joita usein käytetään teollisessa etsauksessa ja jäteveden käsittelyssä. 15 %:n pitoisuudessa ja 55°C:ssa tällä liuoksella on kolme aggressiivista tekijää: korkea kloridi-ionien pitoisuus (noin 10 paino-%), hapettava rauta-ioni, joka ylläpitää korkeaa sähkökemiallista potentiaalia, ja hapan pH (yleensä 1,5-2,5). Tämä ympäristö on selvästi ruostumattoman 316-teräksen vakiokäyttöalueen ulkopuolella. Rautakloridin 316:n kriittinen pistesyöpymislämpötila on alle 30 °C, joten 55 °C:ssa pistesyöty on varmaa ja nopeaa. Tässä palvelussa vaipan paksuuden tehtävänä ei ole estää korroosiota, vaan tarjota riittävä metallivarasto kestämään odotetun pistesyöpymisen ja tasaisen hyökkäyksen asetetun rajoitetun käyttöiän ajan. Kriittinen paksuus on vähimmäispaksuus, joka voidaan perforoida vaaditussa käyttöajassa ja jonka jälkeen lisämetallin tuotto pienenee korroosionopeuden kiihtyessä itsestään.

Syvennys rautakloridiliuoksissa

Tavallinen ruostumattomien terästen pistesyöpymislujuustesti on ASTM G48 (ei G46). Testissä käytetään 6 % rautakloridia 50 °C:ssa. Näissä olosuhteissa 316 ruostumaton teräs osoittaa yleensä pistesyöpymistä 24-72 tunnin kuluttua kuoppasyvyyden ollessa 0,2-0,5 mm. Aggressiivisuus on paljon korkeampi 15 % ferrikloridissa 55°C:ssa. Laboratoriolöydökset paljastavat, että 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettuun kuponkiin, jotka on altistettu 15-prosenttiselle FeCl3:lle 55 asteessa, kehittyy näkyviä kuoppia 4–8 tunnissa, ja kuopan syvyys on 0,5–1,0 mm 100 tunnin jatkuvan altistuksen jälkeen. Kuoppaus on autokatalyyttinen prosessi, kun kuoppa on käynnistetty, rautakloridin hydrolyysi kaivossa luo erittäin happaman, kloridirikkaan ympäristön, joka suosii myöhempää liukenemista. Kuopan kasvunopeus tässä ympäristössä on lineaarinen tai hieman kiihtyvä, yleensä 0,1-0,3 mm jatkuvan altistuksen vuorokaudessa. Jaksottaisella lämmittimellä, kuten 8 tuntia päivässä, 5 päivää viikossa, tehokas kuopan kehitysnopeus on noin 0,03-0,10 mm joka käyttöpäivä. Arvioitu suurin kuopan syvyys kuuden kuukauden käyttöiän (noin . 500 käyttötuntia) aikana on 2-5 mm.

Osittainen upotus ja hyökkäys höyryfaasissa

Osittaisen upottamisen tarve lisää toisen, vaarallisemman vikamekanismin. Neste{1}}höyryn rajapinta on erityisen vakava ferrikloridipalveluissa, koska haihtuminen keskittyy suolan vaipan pinnalle nesteviivan yläpuolelle. Vesi haihtuu ja rautakloridikiteet kerääntyvät kuumalle vaipalle. Nämä pehmenevät kiteet imevät kosteutta ilmakehästä ja muodostavat kylläisen suolaveden, joka on syövyttävämpää kuin bulkkiliuos. Nesteen lämpötila on yleensä alhaisempi kuin vaipan höyrylle altistetun osan lämpötila, koska ilmajäähdytys on vähemmän tehokasta kuin nestejäähdytys. Lämmittimessä, jonka upotuspituus on yhteensä 500 mm ja 100 mm nesteen yläpuolella, esillä oleva osa voi olla 80-100 °C ja upotettu osa 55–60 °C. Näissä korkeammissa lämpötiloissa korroosionopeus höyryvyöhykkeellä voi olla 5-10 kertaa suurempi kuin nesteessä. Rautakloridisäiliöiden osittain upotettujen lämmittimien toistetut kenttätarkastukset ovat osoittaneet, että vika ilmenee nestehöyryn rajapinnassa eikä täysin upotetulla alueella. Siten tämän palvelun kriittistä paksuutta ohjaa hyökkäysnopeus rajapinnassa eikä bulkkinestekorroosio.

Lämpörajoitukset ja paksujen seinien raja

Paksujen seinien lämpövaikutus on ongelmallinen ferrikloridihuollossa, mikä luo vaarallisen takaisinkytkentäsilmukan. Jos lämmitin on osittain upotettuna, alttiina oleva osa jäähdytetään luonnollisella konvektiolla ilmaan. Ilman lämmönläpäisykerroin on vain 10-30 W/m2·K, mutta nesteellä 500-1000 W/m2·K. Altistuva osa palaa paljon korkeammassa lämpötilassa kuin upotettu osa. Paksumman seinän käyttö (2,5 mm 1,5 mm:n sijaan) nostaa esillä olevan osan lämpötilaa vielä 15-25°C, koska suurempi seinä eristää sisäisen vastuslangan. Ruostumattoman teräksen 316 korroosionopeus ferrikloridisuolaliuoksessa 120 °C:ssa on noin kolme kertaa suurempi kuin 100 °C:ssa. Paksumpi seinä, vaikka se onkin tarkoitettu suuremmaksi metallivarastoksi, voi itse asiassa lyhentää käyttöikää, koska se nostaa pinnan lämpötilaa ja nopeuttaa hyökkäystä. Lämpömallinnus viittaa siihen, että ulkohalkaisijaltaan 12 mm:n lämmittimellä, joka toimii 8 W/cm² 55 °C:n rautakloridissa, jossa 100 mm on alttiina ilmalle 25 °C:ssa, on esillä oleva osa 95 °C 1,2 mm:n seinälle, 110 °C 1,8 mm:n seinälle ja 125,5 mm seinälle. Korroosionopeus 125 asteessa on noin viisi kertaa suurempi kuin 95 asteessa. Tehokas käyttöikä ei siis kasva suhteessa paksuuteen.

Kriittiset paksuussuositukset lyhytaikaista palvelua varten

Aggressiivisen ympäristön ja hyökkäyksen itse-kiihtyvän luonteen vuoksi ferrikloridilämmittimien suunnittelufilosofian on vaihdettava "pitkästä käyttöiästä" "ennustettavasti lyhyeen käyttöikään suunnitellun vaihdon kanssa". Vähimmäispaksuus 1,8-2,0 mm on välttämätön 6 kuukauden käyttöikään ja 8 tuntia päivässä. Paksuus tarjoaa riittävän metallivarannon kestämään odotettavissa olevan 2-5 mm:n pistesyöpymisen neste-höyry kosketuksessa. Ohuemmat 1,2-1,5 mm seinät rei'ityvät yleensä 2-4 kuukaudessa. Paksumpia seiniä ei suositella yli 2,5 mm:n, koska lämpövaikutus nostaa paljastetun osan lämpötilan lämpötila-alueelle, jossa korroosio kiihtyy niin pitkälle, että lisämetalli ei tuota nettoetua. 3 kuukauden käyttöikä riittää, kun 1,5–1,6 mm:n paksuus{16}}mm voi riittää yhden kuukauden käyttöikään tai yksittäisiin toimenpiteisiin. Lämmitin on kaikissa olosuhteissa nähtävä kulutustavarana, jolla on määrätty vaihtoaikataulu.

Vaihtoehtoisia strategioita, jotka päihittävät paksummat seinät

316 ruostumaton teräs ei missään käytännön paksuudessa kestä luotettavasti pitkäaikaista käyttöä 15 % ferrikloridissa 55°C:ssa osittaisen upotuksen kanssa. Tärkeä tekninen kysymys ei ole käytettävä paksuus. Se, voidaanko 316:ta käyttää ollenkaan. Rautakloridilämmityksen vakiomateriaali on titaani (Grade 2). Titaani muodostaa vakaan passiivisen pinnoitteen rautakloridissa, eikä kuoppaa edes 80-90°C:ssa. 1,0-1,2 mm:n titaanivaippa kestää 10-20 kertaa pidempään kuin 2,5 mm:n 316-suojus. Jos titaania ei ole saatavilla, erinomainen kestävyys voidaan saavuttaa fluoripolymeeripinnoitetuilla lämmittimillä (PTFE tai PFA 316 ytimen yli), jotka eristävät metallin liuoksesta. Jos käyttökohde on kuitenkin sellainen, että lämmitin on aina kokonaan upotettu (ei höyryrajapintaa), 316 2,0 mm:n paksuudella voi kestää 6-12 kuukautta, mutta pinnoite tai titaanivaihtoehto on silti parempi.

Johtopäätös: Kriittinen paksuus käyttöiän määrittelyssä

Olennainen vaipan paksuus 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetulle lämmittimelle 15-prosenttisessa rautakloridissa 55 asteessa osittain upotettuna on 1,8-2,0 mm kuuden-kuukauden käyttöiällä jaksoittaisessa käytössä. Tämä paksuus on kompromissi metallivarannon välttämättömyyden ja paksummissa seinissä tapahtuvan korroosion lämpökiihtyvyyden välillä. Ohuet seinät hajoavat ennenaikaisesti neste-kaasukontaktin puhkaisun vuoksi. Paksummat esteet eivät lisää elämää, mutta nopeuttavat hyökkäystä ja lisäävät paljaan osan lämpöä. Tärkein neuvo on välttää 316 SS tässä palvelussa, jos vaihtoehto on olemassa. Tarvittaessa insinöörin on ilmoitettava arvioitu käyttöikä kuukausina, päivittäiset käyttötunnit ja altistetun höyryvyöhykkeen pituus. Nämä tiedot määrittävät, onko 316 sopiva vai tarvitaanko titaani- tai pinnoitettua vaippaa. Spesifikaatioon tulee lisäksi sisältyä pakollinen tarkastusaikataulu puoleen arvioidusta käyttöiästä, jotta voidaan seurata kaivon syvyyksiä ja määrittää, tarvitaanko varhainen vaihto.