Miksi 316 ruostumattomasta teräksestä varustetut sähkölämmitysputket natriumhypokloriitin desinfiointisilmukoissa 30–50 asteen kulmassa kehittävät syvän uurteen kolmi-vaiheen rajalla 200 tunnin jaksoittaisen käytön aikana?

Natriumhypokloriittia (NaOCl) käytetään yleisesti desinfiointiin kunnallisissa vesienkäsittelyssä, elintarvikejalostuksen sanitaatiossa ja farmaseuttisissa CIP-järjestelmissä (puhdas{0}}in-). Sähkölämmitysputkia käytetään yleisesti hypokloriitin kierrätyssilmukoissa pitämään liuoksen lämpötila 30–50 asteen välillä optimaalisen desinfiointitehokkuuden saavuttamiseksi. Kenttähäiriöt useissa vedenkäsittelylaitoksissa ovat kuitenkin osoittaneet, että 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettua vaippaa on alttiina erittäin paikalliselle, vakavalle uritushyökkäykselle ilma-neste-höyryn kolmivaiheen rajalla 200–500 tunnin jaksottaisen käytön aikana. Tätä hyökkäystä ei nähdä jatkuvasti märissä tai täysin kuivissa olosuhteissa. Kolmen -vaiheen raja, jossa vaippa poistuu hypokloriittiliuoksesta ja tulee yllä olevaan höyrytilaan, altistuu ainutlaatuiselle yhdistelmälle olosuhteita, mukaan lukien kostutus- ja kuivaussyklit, happirikastuminen ilman kanssa kosketuksissa, hypokloriitin ja kloridilajien haihtuminen, mikä aiheuttaa pitoisuutta, ja hypokloriitin hajoaminen kloorikaasuksi (Cl2). Tuloksena on itsestään-kestävä korroosiokenno, joka leikkaa vaippaan nestetasolla kehämäisen uran, joka tyypillisesti läpäisee seinän kokonaan viikoissa. Tässä tutkimuksessa mitataan urakorroosionopeus NaOCl-palvelun kolmen vaiheen rajalla ja esitetään suunnittelu- ja toimintasuosituksia tämän vikatilan välttämiseksi.

Kolmen{0}}faasirajan sähkökemia hypokloriittiliuoksissa
Natriumhypokloriittiliuokset ovat luonnostaan ​​epästabiileja ja hajoavat 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 ja myös 2NaOCl → 2NaCl + O2 mukaisesti. Hajoaminen kiihtyy noin 30-50 oC:ssa. Ohut hypokloriittiliuoksen kalvo, joka kostuttaa vaipan nesteen nestepinnan yläpuolella kolmen-faasin rajalla (ilma-nestevaippa), haihtuu nopeasti ja konsentroi hypokloriittia tavallisesta 0,5–2,0 %:sta saatavilla olevasta kloorista jopa 10–15 %:iin. Konsentroitu hypokloriitti hajoaa nopeammin muodostaen kloorikaasua (Cl2), joka on erittäin syövyttävää 316 ruostumattomalle teräkselle ja paikallisesti voimakkaasti hapettavalle, matalan pH:n ympäristölle. Samaan aikaan kostutus- ja kuivausjaksot estävät stabiilin passiivikalvon muodostumisen. Jakson kuivan osan aikana muodostunut passiivinen kalvo on kuivattu ja rikkoutunut. Uudelleenkostutusvaiheen aikana tuore hypokloriitti hyökkää paljastettuun metalliin ennen kuin uusi pinnoite voi muodostua.

Differentiaalisen ilmastuskennon luominen nopeuttaa uritusmekanismia Nesteviivan alapuolella oleva alue on happi-tyhjentynyt (koska hypokloriitin hajoaminen kuluttaa happea), kun taas ohut kerros kolmen-faasin rajan yläpuolella on happi-rikasta joutuessaan kosketuksiin ilman kanssa. Happirikas alue muuttuu katodiseksi ja juuri alapuolella oleva metalli anodiseksi. Anodinen virta sijoittuu nestelinjaan ja kehittää syvenevän ja levenevän uran ajan myötä.

Urien korroosionopeuden määrittäminen kolmen{0}}vaiheen rajalla
316 ruostumattomasta teräksestä valmistettua vaippanäytettä (1,5 mm seinä, 12 mm ulkohalkaisija, liuos-hehkutettu) upotettiin osittain 1,0-prosenttiseen saatavilla olevaan kloori-NaOCl-liuokseen (alkaen pH 10,5) 40 asteessa kontrolloidussa testauksessa nestepinnan ollessa keskipituuden. Testi vaihdettiin lämmityksen (vaippa jännitteellä 50 asteen pintalämpötilaan) ja joutokäynnin (ei lämmitystä, 40 asteen kylpy) välillä 6 tunnin päällä/6 tunnin sammutusjaksolla. Väliajoin näytteistä tarkistettiin urasyvyys alkuperäisellä nestetasolla. Uran syvyys arvioitiin käyttämällä leikkausta ja optista mikroskopiaa.

Valotusaika (tuntia) Märkä{0}}kuivausjaksojen määrä (6 tuntia kukin)Uran syvyys Max (μm)Uran leveys (mm) Seinäpaksuuden vähennys urassa (alkaen 1,5 mm)
0 0 0 0 0% 100 8 (noin) 45 0.8 3% 200 17 110 1.2 7% 300 25 210 1.5 14% 400 33 380 2.0 25% 500 42 620 2.5 41% (lähellä perforaatiota)
600 50 880 (rei'itetty) 3.0 59 %
Uurtumisnopeus oli noin 1,5-2,0 um/h altistumisesta, mikä on suunnilleen yhdenmukainen 50-100 tunnin ensimmäisen inkubaation jälkeen. 1,5 mm:n seinälle ennustettu aika rei'itykseen oli 600-800 tuntia (25-33 päivää) jatkuvassa kierrossa. Kenttäpalveluissa pitkillä off-jaksoilla ja vaihtelevilla olosuhteilla vika oli usein 200-500 tunnin sisällä (8-21 päivää).

Vertailu jatkuvaan upotukseen ja muihin tekijöihin
Kontrollitestit suoritettiin kolmen-vaiheen rajavaikutuksen eristämiseksi eri tilanteissa. Alla olevat tilastot osoittavat, että kolmen vaiheen rajaehto ei vaurioidu verrattuna jatkuvaan upotukseen (ei märkä-kuivakiertoa) ja täysin kuiva-altistus.

Testiolosuhteet NaOCl-pitoisuus (% käytettävissä Cl 2) Lämpötila ( aste ) Altistusaika (tuntia) Suurin korroosiosyvyys (μm) Pintaolosuhteet
Täysin upotettu (ei ilmaliitäntää) 1.0 40 500 25 Lievä pistemäinen, tasainen
Täysin upotettu 1.0 50 (vaippa lämmitetty) 500 45 uurrettu, ei uritusta
Osittain upotettu, tasainen nestetaso (ei kiertokulkua) 1.0 40 500 180 (nesteviivalla) Ura, vähemmän vakava
Osittain upotettu, märkä-kuivapyöräily (lämmitys päällä/pois) 1.0 40/50 500 620 Syvä uritus
Osittain upotettu, pH säädetty arvoon 9,5 (natriumkarbonaattina) 1.0 40/50 500 85 Kevyt uritus
Osittain upotettu, typen tyhjennys höyrytilan yli 1.0 40/50 500 110 Vähentynyt uritus
Osittain upotettu, deionisoitu vesi (ei NaOCl) 0 40/50 500 0 Ei korroosiota
Kriittisiä tekijöitä ovat hypokloriitin esiintyminen, nesteen{0}}höyryn rajapinnan läsnäolo, märkä-kuivakierto ja hapen pääsy höyrytilaan. Jonkin näistä tekijöistä poistaminen vähentää uritusta suhteessa 3–7.

Kemikaalien vaikutus uritusnopeuteen
Urausnopeus on melko herkkä hypokloriittiliuoksen käytettävissä olevalle klooripitoisuudelle. Suuremmat pitoisuudet johtavat hypokloriitin nopeampaan hajoamiseen, lisääntyneeseen kloorikaasun tuotantoon ja aggressiivisempaan haihtumispitoisuuteen. Testit vakiossa 40 asteessa 6-tunnin märkäkuivausjaksoilla ja 500 tunnin kokonaisaltistuksella johtivat seuraavaan suhteeseen:

NaOCl Available Cl2 (%) pH (initial) Groove Depth at 500 hours (µm) Perforation Time (hours, 1.5 mm wall) Vapour Space Cl2 Odour Observed 0.1 10.0 45 >5000 (ei saavutettu)Ei mitään 0.5 10.3 180 2500 Lievä 1.0 10.5 620 600-800 Vahva 2.0 11.0 1050 (rei'itetty < 500 tuntia) 300-400 Erittäin vahva
1,0 kloorinpoistoaineella (tiosulfaatti, 10 ppm) 10.5 85 2800 Ei
Ennustettu rei'itysaika tyypillisissä juomaveden 0,5–1,5 % NaOCl-desinfiointisilmukaissa urittamiselle on 2–8 viikkoa 316 vaipan kohdalla. Tiosulfaatin läsnäolo kuluttaa tehokkaasti vapaata klooria ja välttää urien muodostumista, mutta saattaa heikentää desinfioinnin tehokkuutta.

Esimerkkejä kenttävioista vedenkäsittelylaitoksilla
Katsaus 23 kunnallisesta vedenkäsittelylaitoksesta, joissa käytettiin 316 ruostumattomasta teräksestä päällystettyä lämmitintä NaOCl-kierrätyssilmukoissa (0,5–1,2 % käytettävissä Cl₂, 35–45 astetta, ajoittainen pumppukäyttö märkä{6}}kuivausjaksoilla 4–12 tunnin välein) osoitti seuraavat vikamallit:

Laitoksen toimintakuvio Likimääräinen märkä{0}}kuivakierto per DayGroove-puhkaisuaika määritettynä
Kasvi A (1,2 % NaOCl) Jatkuva kierrätys, vakiotaso 0 (ei pyöräilyä) 8-12 kuukautta (ei uraa, vain kuoppaus)
Kasvi B (1,0 % NaOCl) Ajoittain, 6 tuntia päällä / 6 tuntia pois päältä, taso vaihtelee 2 18 d
Kasvi C (0,8 % NaOCl) Ajoittain, 8 tuntia päällä / 16 tuntia pois päältä, taso vaihtelee 1.5 25 päivää
Kasvi D (0,5 % NaOCl) Ajoittain, pumppaa 4 tunnin välein, taso laskee syklien välillä 6 12 päivää
Laitos E (0,5 % NaOCl, nestetasoa ohjataan uimuriventtiilillä) Jaksottainen lämmitys, mutta ei tason kiertoa 0 (ei tason muutosta) 6 kuukautta (ei uraa)
Kasvit A ja E viittaavat siihen, että vakaan nestepinnan pitäminen (ei vaipan pinnan märkää-kuivakiertoa) on tärkeämpää kuin korkea hypokloriittipitoisuus urien estämisessä. Pitoisuus ei vaikuttanut sellaisten laitosten vikaantumisnopeuteen, joissa tason vaihtelut tai erätoiminta, joissa lämmitin oli alttiina tyhjennysjaksojen aikana.

Suunnittele ja toimintastrategiat kolmi-vaiheisen urautumisen estämiseksi
Kolmea teknistä ratkaisua käytetään vähentämään tai minimoimaan dramaattisesti kolmivaiheista{0}}uritusta NaOCl-palvelussa. Varmin tapa on pitää lämmitin koko ajan kokonaan veden alla. Suunnittele säiliö tai silmukka siten, että nesteen vähimmäistaso on lämmityselementin yläosan yläpuolella. Varusta matalan tason katkaisija, joka -saa lämmittimestä virran, kun nesteen taso laskee vaipan yläosan alapuolelle.

Toinen on pitää neste tasaisella tasolla riippumatta pumppujen tai lämmittimien toiminnasta. Näin vältetään märkä{0}}kuivakierto, kun nestettä ei ole riittävästi upotettavaksi kokonaan. Vakiotason ylivuotopato tai tasonsäätöventtiili estää nestepinnan kulkemisen vaipan pinnan yli.

Kolmas lähestymistapa on järjestelmiin, joissa tason vaihtelua ei voida estää. Kiukaan asennus vaakasuoraan, ei pystysuoraan. Kun putki on vaakasuorassa, kolmen-vaiheen raja on vain yksi viiva putken yläosassa koko ympyrän sijaan. Myöskään yläosaan muodostettu ura ei saavuta painerajaa yhtä nopeasti. Lisäksi voidaan rakentaa vaakasuora putki siten, että lämmityselementti on sijoitettu epäkeskisesti alaosaan, jolloin vaipan yläosa ei lämmitetä suoraan, mikä laskee paikallista lämpötilaa kolmen vaiheen rajalla.

Hypokloriittipalvelun korvikkeet
Jos 316 ruostumatonta terästä vaaditaan, mutta kolmivaiheista altistumista ei voida välttää, vaippamateriaalin päivittämisellä on jonkin verran etua. Ei ole olemassa yleistä ruostumatonta terästä, joka todella kestäisi kolmifaasisen hypokloriittitilanteen.

Vaipan materiaalin urasyvyys 500 tunnissa, 1 % NaOCl, 40 astetta, märkä-kuivapyöräily (um)Suhteellinen hinta (verus 316) Suositus
316 ruostumaton teräs 620 1.0 Ei (nopea vika)
904L (UNS N08904) 280 2.5 Rajaviiva
Alloy 825 (UNS N08825) 120 4.0 Hyväksytään tasojen hallinnassa
Titaani luokka 2<10 2.2 Yes (very good)
Titaani luokka 7<5 2.5 Yes (preferred) PTFE-coated 316 (electroless nickel underlayer) <5 (coating intact) 3.0 Yes, but danger of coating deterioration
Titanium Grade 2 tai Grade 7 kestää hypokloriitin hyökkäystä jopa 70 asteen lämpötiloissa ja on passiivinen jopa kolmivaiheisissa olosuhteissa. Kenttätiedot elintarviketehtaalta, jossa 316 vaippaa korvattiin titaaniluokan 2 kanssa 0,8-prosenttisessa NaOCl-CIP-silmukassa, ei osoittanut uria tai kuoppia 24 kuukauden jaksoittaisen käytön jälkeen, kun 316 vaippaa aiemmin rikkoutui 3–4 viikon välein.

Hypokloriittisilmukkalämmittimen erittelykieli
Ostaessaan sähkölämmitysputkia natriumhypokloriittihuoltoon, jossa on mahdollisuus märkä-kuivakiertoon tai tason vaihteluihin, insinöörien tulee vaatia vähintään luokan 2 tai 7 titaanivaippamateriaalia. Jos 316 ruostumatonta terästä käytetään olemassa olevassa järjestelmässä, seuraavat toimintavaatimukset on otettava mukaan: (a) Nesteen pinta on pidettävä ylimmän lämmityselementin yläpuolella koko ajan tasonsäätöjärjestelmän avulla; (b) Alhaisen -tason katkaisija on varustettava lämmittimen kontaktorin kanssa lukittuna lämmittimen -virran katkaisemiseksi, jos taso laskee alle turvallisen minimin. (c) Järjestelmä on suunniteltava jatkuvaan toimintaan tasaisella tasolla mieluummin kuin erän tyhjennys--ja-täyttötoimintoihin; d) Vaippa on tarkastettava nestetasolla kuukausittain urien varalta ultraäänipaksuusmittauksella tai silmämääräisellä tarkastuksella tarkastuslasin läpi. Uusille asennuksille, joissa hypokloriittipitoisuus on yli 0,2 % saatavilla olevaa Cl 2:ta ja lämpötila yli 35 astetta, määritä titaani Grade 7 -vaippamateriaali ja vaakasuora lämmittimen suunta. Hypokloriittipalvelun kolmivaiheinen raja tarjoaa ainutlaatuisen aggressiivisen mikro{15}}ympäristön, joka eroaa olennaisesti joko täysupotuksesta tai höyryfaasialtistuksesta. Tämän ymmärtävät insinöörit voivat valita sopivat materiaalit ja järjestelmäsuunnittelun välttääkseen nopean uritusvirheen, joka on tyypillinen tälle sovellukselle.