Pri akej špecifickej kombinácii koncentrácie žieraviny a teploty povrchu plášťa prechádza 1,6 milimetrový plášť z nehrdzavejúcej ocele 316 z pasívnej na aktívnu koróziu v službe hydroxidu sodného pre systémy CIP?

Procesní inžinieri vyrábajúci elektrické ponorné ohrievače pre čisté-na{1}}mieste systémy na spracovanie potravín, farmaceutickú výrobu a výrobu nápojov používajú hydroxid sodný ako hlavnú čistiacu chemikáliu. Typické CIP roztoky pozostávajú z 1-3% NaOH pri 70-85 stupňoch. V tejto situácii sa vytvorí pasívny film a vo všeobecnosti je odolnosť nehrdzavejúcej ocele 316 proti korózii dobrá. Avšak pri vyšších koncentráciách alebo vyšších povrchových teplotách z hustoty wattov ohrievača sa môže pasívny film rozpadnúť a môže dôjsť k aktívnej korózii s rýchlosťou presahujúcou 1 milimeter za rok. Typická hrúbka steny ohrievačov CIP je 1,6 mm, čo poskytuje rozumný kompromis medzi toleranciou korózie a tepelnou odozvou. Článok stanovuje koncentráciu žieraviny a povrchovú teplotu plášťa, pri ktorej sa plášť 1,6 mm 316 mení z pasívnej na aktívnu koróziu v prevádzke hydroxidu sodného.

316 Prechod hydroxidu sodného z pasívneho na aktívny
Hydroxid sodný je medzi alkalickými roztokmi jedinečný v tom, že korózne správanie nehrdzavejúcej ocele 316 vykazuje jasný pasívny -aktívny prechod, ktorý závisí od koncentrácie aj teploty. V zriedených roztokoch pod 5 % NaOH a teplotách pod 80 °C zostáva 316 pasívny s rýchlosťou korózie menšou ako 0,05 mm za rok. S rastúcou koncentráciou alebo zvyšovaním teploty sa pasívny film stáva nestabilným. Pri 10% NaOH je teplota prechodu asi 90 stupňov. Klesá na 75 °C 20 % NaOH. Pri 30% NaOH hodnota klesne na 60 stupňov. Pri 50% NaOH, nad 40 stupňov pasívny rozsah úplne zmizne. Povrchová teplota plášťa je zvyčajne o 15–30 stupňov vyššia ako teplota celého roztoku pre ponorný ohrievač v dôsledku použitej hustoty wattu. Systém CIP s 3% NaOH a 80 stupňovou teplotou objemu s ohrievačom 8 W/cm² poskytuje povrchovú teplotu plášťa 95-105 stupňov. Pasívny povlak na 316 sa môže pri tejto povrchovej teplote rozpadnúť a aktívna korózia sa vyskytuje rýchlosťou 0,5–2 mm za rok. Aktívna korózia prepichne 1,6 mm plášť za 1 až 3 roky, avšak pasívna prevádzka poskytne 10+ rokov služby.

Kritické prechodové prahy pre 1,6 mm puzdro
Elektrochemické testovanie 316 vzoriek v roztokoch hydroxidu sodného pri teplotách súvisiacich s prevádzkou CIP preukázalo, že nasledujúce kombinácie objemovej koncentrácie žieraviny a povrchovej teploty plášťa spôsobia prechod z pasívnej -do{2}}aktívnej steny 1,6 mm. Hodnoty sú pre štandardné leštidlo na kujné povrchy a typickú hustotu wattov 6–8 W/cm².

Koncentrácia hydroxidu sodného (%) Pasívna voči aktívnej prechodovej teplote Minimálna povrchová teplota plášťa pre aktívnu koróziu Bezpečná objemová teplota pre 1,6 mm plášť pri 8 W/cm2 (25 stupňový nárast) Očakávaná rýchlosť korózie v aktívnom režime
1 – 2% >100 stupňov 100 stupňov 75 stupňov 0,3 – 0,7 mm/rok
2 – 3 % 95 – 100 stupňov 95 – 100 stupňov Až do 70 – 75 stupňov 0,5 – 1,0 mm/rok
3 – 5 % 85 – 95 stupňov 85 – 95 stupňov Až 60 – 70 stupňov 0,8 – 1,5 mm/rok
5 – 7 % 75 – 85 stupňov 75 – 85 stupňov Až 50 – 60 stupňov 1,0 – 2,0 mm/rok
7 – 10 % 65 – 75 stupňov 65 – 75 stupňov Až 40 – 50 stupňov 1,5 – 3,0 mm/rok
10 – 15 % 55 – 65 stupňov 55 – 65 stupňov Až 30 – 40 stupňov 2,0 – 4,0 mm/rok
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/rok
Pre systém CIP s objemovou teplotou 80 stupňov a 2 % NaOH s použitím 1,6 mm plášťa pri 8 W/cm2 je povrchová teplota plášťa približne 105 stupňov, čo je viac ako prah prechodu 100 stupňov. Vyskytne sa aktívna korózia a po 1-2 rokoch môže dôjsť k perforácii plášťa. Znížením wattovej hustoty na 4 W/cm² sa zníži nárast povrchovej teploty na 12–15 stupňov, zatiaľ čo teplota plášťa zostane na 92–95 stupňov, čo je pod hranicou 100 stupňov. Táto zmena umožňuje životnosť 5-10 rokov.

1,6-milimetrový plášť Bezpečná prevádzková obálka v službe Caustic CIP
Nasledujúca tabuľka uvádza maximálnu prípustnú objemovú koncentráciu hydroxidu sodného pre 1,6 mm 316 plášť pri rôznych objemových teplotách a wattových hustotách. Pri určitých hodnotách koncentrácie sa teplota povrchu plášťa udržiava aspoň 5 stupňov pod pasívnou -až{5}}aktívnou teplotou prechodu.

Objemová teplota roztoku Hustota 4 W/cm2 (zvýšenie o 12 stupňov) Hustota vo wattoch 6 W/cm2 (zvýšenie o 18 stupňov) Hustota vo wattoch 8 W/cm2 (zvýšenie o 25 stupňov) Hustota vo wattoch 10 W/cm2 (zvýšenie o 32 stupňov) 60 stupňov Bezpečné do 10% NaOH Bezpečné do 7% NaOH Bezpečné do 7% NaOH % Safe55 Bezpečný do 8 % NaOH Percento Bezpečný do 5 NaOH Bezpečný do 3 % NaOH Bezpečný do 2 % NaOH 70 stupňov Bezpečný do 6 % NaOH Bezpečný do 4 % NaOH Bezpečný do 2 % NaOH Bezpečný nad 1 % 75oC Bezpečný nad 5 % NaOH max. 3 %, bezpečný NaOH 5 % Bezpečný do 1 % Bezpečný do 1.80 % Bezpečný do 1. NaOH bezpečný do 2% NaOH Nebezpečný nad 1,5% Nebezpečný 85 stupňov Bezpečný do 3% NaOH Bezpečný do 1,5% NaOH Nebezpečný Nie je bezpečný
90 stupňov Bezpečné do 2 % NaOHNie je bezpečné nad 1 % Nie je bezpečné Nie je bezpečné
Pre typický cyklus CIP pri 80 stupňoch s 2 % NaOH je 1,6 mm 316 plášť bezpečný iba pri hustote wattov 4 W/cm2 alebo menej. Pri priemyselnej wattovej hustote 8 W/cm² bude ohrievač v režime aktívnej korózie a skôr by sa mala predpovedať obmedzená životnosť 1–3 roky ako často predpokladaných 5–10 rokov.

Zmeny dizajnu pasívnej prevádzky
Na zachovanie pasívnej prevádzky bez zmeny materiálu plášťa v podmienkach procesu CIP, ktoré by inak prinútili plášť 1,6 mm 316 do aktívnej korózie (napr. koncentrácie žieravín alebo teploty), je možné vykonať tri konštrukčné úpravy: Prvým spôsobom je zväčšiť zahriatu dĺžku prvku, aby sa znížila hustota wattov. Zdvojnásobenie dĺžky (1 m až 2 m) znižuje nárast povrchovej teploty plášťa z 25 stupňov na 12 stupňov a vracia sa k pasívnemu fungovaniu, keď sa hustota wattov zníži z 8 W/cm2 na 4 W/cm2 . Druhou úpravou je zlepšenie cirkulácie na povrchu ohrievača. Pri rovnakej hustote wattov možno nárast povrchovej teploty znížiť na 8–10 stupňov pri rýchlosti 2–3 m/s pomocou obehového čerpadla CIP. Poslednou zmenou je pridanie inhibítora korózie do roztoku žieraviny. Silikáty alebo fosfáty pri 100 až 200 ppm môžu stabilizovať pasívny film na 316 a zvýšiť teplotu prechodu o 10 až 20 stupňov. Ale tieto zmeny pravdepodobne nebudú stačiť pre CIP systémy, ktoré vyžadujú 5% NaOH pri 80oC. V týchto prípadoch by mal technik špecifikovať použitie zliatiny na báze niklu,{29}}ako je Alloy 600 alebo Alloy 825, ktoré sú pasívne v žieravinách až do koncentrácie 50 % pri teplotách nad 100 stupňov . Náklady na upgrade z 316 na Alloy 825 sú zvyčajne 2-3-krát vyššie, ale životnosť sa zvyšuje z 1 – 2 rokov na 10 – 15 rokov. Pri špecifikácii ohrievačov pre službu CIP vždy povedzte dodávateľovi: maximálnu koncentráciu lúhu, objemovú teplotu a očakávaný čas cyklu. Keď výrobca navrhuje 316 pre 5% NaOH pri 85 °C bez akéhokoľvek zváženia pasívno-aktívneho prechodu alebo zníženia hustoty wattu, nie je to vhodná technická rada. Zmena pasívnej korózie na aktívnu v hydroxide sodnom je náhla a je funkciou teploty. Plášť 316 s hrúbkou 1,6 mm fungujúci tesne pod prahom môže vydržať desať rokov; jedna prevádzka tesne za ňou môže zlyhať za 18 mesiacov. Pre spoľahlivú špecifikáciu je potrebná presná tepelná analýza teploty povrchu plášťa.