Pri akej špecifickej kombinácii koncentrácie kyseliny dusičnej a teploty vyžaduje 1,2-milimetrový plášť z nehrdzavejúcej ocele 316 zníženie výkonu pod 10 wattov na štvorcový centimeter, aby sa zabránilo intergranulárnemu útoku pri prevádzke pasivačnej nádrže?

Pri povrchovej úprave kovov a leteckej výrobe procesní inžinieri zvyčajne používajú kyselinu dusičnú ako médium pre elektrické ponorné ohrievače v pasivačných nádržiach z nehrdzavejúcej ocele. Pasivačné roztoky, zvyčajne 20 – 40 % kyselina dusičná, sa zvyčajne aplikujú pri 40 – 60 stupňoch, aby sa eliminovalo voľné železo a vytvoril sa homogénny povlak oxidu chrómu na častiach z nehrdzavejúcej ocele. 316, nehrdzavejúca oceľ má za týchto podmienok dobrú odolnosť proti korózii, pretože kyselina dusičná je oxidačná kyselina, ktorá udržuje pasívny film. Avšak pri zvýšených teplotách alebo v prítomnosti chloridov alebo redukčných chemikálií môže dôjsť k intergranulárnemu napadnutiu, najmä na zváraných alebo citlivých miestach plášťa. Ohrievače pasivačných nádrží sa zvyčajne vyrábajú s hrúbkou steny 1,2 mm, aby vyhovovali priestorovým požiadavkám a poskytovali rýchly prenos tepla. Článok uvádza konkrétnu kombináciu koncentrácie kyseliny dusičnej a teploty, pri ktorej musí byť 1,2 mm plášť 316 znížený na hustotu wattov < 10 W/cm2, aby sa predišlo intergranulárnemu napadnutiu.

Mechanizmus intergranulárneho útoku v 316 vystavenom kyseline dusičnej
The intergranular attack of 316 in nitric acid is caused by the loss of chromium at the grain boundaries due to sensitisation by welding or earlier heat exposure. Nitric acid preferentially attacks these chromium-depleted zones and causes grain boundary corrosion, which can lead to full disintegration of the metal. The vulnerability to intergranular attack in nitric acid is concentration and temperature dependent Significant intergranular assault is observed in 20% nitric acid only at 70°C. In 30% nitric acid the threshold falls to 60° C. attack at above 50°C in 40% nitric acid. Attack is performed in 50% nitric acid >40 stupňov. Slabým miestom 1,2 mm puzdra s privarenou prírubou alebo prílohou je oblasť ovplyvnená teplom zvaru. Aplikovaná wattová hustota vedie k povrchovej teplote plášťa, ktorá je zvyčajne o 10 až 20 stupňov vyššia ako teplota objemovej kyseliny. V 40% kyseline dusičnej pri teplote 55 stupňov môže povrch plášťa dosiahnuť 70–75 stupňov, čo je viac ako 50 stupňový prah pre intergranulárne napadnutie. Nižšia wattová hustota minimalizuje nárast povrchovej teploty a môže udržať zvarovú zónu pod prahom napadnutia.

Kritické prahové hodnoty zníženia pre 1,2 mm bundu
Nasledujúce obmedzenia hustoty vo wattoch platia pre plášť steny s hrúbkou 1,2 mm, aby sa zabránilo intergranulárnemu napadnutiu v tepelne ovplyvnenej zóne na základe testovania ponorením zváraných 316 vzoriek do kyseliny dusičnej pri teplotách a koncentráciách relevantných pre pasiváciu. Hodnoty sú pre zvýšenie povrchovej teploty o 15-20 stupňov pri 10 W/cm², lineárne s hustotou wattov.

Teplota objemovej kyseliny Maximálna povrchová teplota plášťa, aby sa zabránilo intergranulárnemu ataku Koncentrácia kyseliny dusičnej Maximálna povolená hustota vo wattoch pre 1,2 mm plášť (15 stupňov nárast pri 10 W/cm2) Odporúčaná akcia 20 % 40 stupňov 70 stupňov 20 W/cm2 Bezpečné pri akomkoľvek praktickom odporúčanom 0 % 3 stupňoch W/7 watt2 hustota 102 wattov nad 13 W/cm2
20% 60°C 70°C 7 W/cm² Derating needed 20%>65 stupňov 70 stupňov < 5 W/cm² Použite 316L alebo žíhaný materiál
30 % 40 stupňov 60 stupňov 13 W/cm2 Bezpečné pri nízkej hustote wattov
30 % 45 stupňov 60 stupňov 10 W/cm2 Okraj pri 10 W/cm2
30 % 50 stupňov 60 stupňov 7 W/cm² Potrebné zníženie 30 % > 55 stupňov 60 stupňov < 5 W/cm² Použite 316L alebo upgrade zliatiny
40% 30°C 50°C 13 W/cm² Acceptable 40% 35°C 50°C 10 W/cm² Marginal 40% 40°C 50°C 7 W/cm² Derating needed 40%>45 stupňov > 50 stupňov < 5 W/cm² Použite 316L alebo upgrade zo zliatiny
50 % 25 stupňov 40 stupňov 10 W/cm2 Marginálne 50 % 30 stupňov 40 stupňov 7 W/cm2 Potrebné zníženie 50 % Nad 35 stupňov 40 stupňov Pod 5 W/cm² 316 Neodporúča sa
Pre typickú nádrž na pasiváciu 30 % kyseliny dusičnej s objemovou teplotou 50 stupňov musí byť 1,2 mm plášť 316 znížený na približne 7 W/cm2, aby sa povrch plášťa udržal pod 60 stupňami. Povrch plášťa má približne 65 stupňov C pri bežnej priemyselnej hustote vo wattoch 10 W/cm{10}} Intergranulárne napadnutie v oblasti ovplyvnenej teplom zvaru{11}} sa môže vyvinúť za 3 až 12 mesiacov.

Bezpečná prevádzková obálka pre 1,2 mm puzdro v pasivačnej službe
Maximálna prijateľná teplota celkovej kyseliny dusičnej pre 1,2 mm 316 plášť pre rôzne hustoty wattov je uvedená v nasledujúcej tabuľke za predpokladu, že zvarová zóna triedy 316L (nízky obsah uhlíka) alebo žíhaná zóna minimalizuje riziko senzibilizácie.

Koncentrácia kyseliny dusičnej Hustota 5 W/cm2 (nárast 8 stupňov) Hustota wattov 8 W/cm2 (nárast 12 stupňov) Hustota wattov 10 W/cm2 (nárast 15 stupňov) Hustota wattov 12 W/cm2 (nárast 18 stupňov)
20% bezpečné do 62 stupňov Bezpečné do 58 stupňov Bezpečné do 55 stupňov Bezpečné do 52 stupňov
Bezpečné do 57 stupňov 25 % Bezpečné do 53 stupňov Bezpečné do 50 stupňov Bezpečné do 47 stupňov
30 % bezpečné do 52 stupňov Bezpečné do 48 stupňov Bezpečné do 45 stupňov Bezpečné do 42 stupňov 35 % bezpečné do 47 stupňov Bezpečné do 43 stupňov Bezpečné do 40 stupňov Bezpečné do 37 stupňov
40 % Do 42 stupňov Do 38 stupňov Do 35 stupňov Do 32 stupňov 45 % Do 37 stupňov Do 33 stupňov Do 30 stupňov Do 27 stupňov
50% Bezpečné do 32 stupňov Bezpečné do 28 stupňov Bezpečné do 25 stupňov Neodporúča sa
V prípade pasivačnej nádrže s 35 % kyselinou dusičnou a objemovou teplotou 45 stupňov by 1,2- mm 316 plášť pri 10 W/cm² poskytol povrchovú teplotu približne 60 stupňov , čo je za bezpečným limitom 47 stupňov uvedeným vyššie. Ohrievač by bol náchylný na intergranulárny útok. Znížením wattovej hustoty na 5 W/cm2 sa povrchová teplota udržiava na 53 stupňoch, čo je pod bezpečnou hranicou 57 stupňov pre 25 % kyselinu, ale nad hranicou 47 stupňov pre 35 % kyselinu, čo naznačuje, že je potrebná kombinácia zníženia a úpravy koncentrácie.

Zmeny dizajnu, aby sa zabránilo intergranulárnemu útoku
K dispozícii sú štyri konštrukčné úpravy na zabránenie intergranulárneho napadnutia, ak podmienky pasivačného procesu vyžadujú koncentrácie kyseliny dusičnej a teploty, ktoré by prekročili prijateľné limity pre 1,2 mm hrubý plášť 316. Prvým je špecifikovať 316L (nízkouhlíkové), nie obyčajné 316. Nižší obsah uhlíka obmedzuje precipitáciu karbidu chrómu počas zvárania, preto tepelne-ovplyvnená zóna nie je citlivá na senzibilizáciu ani pri vyšších teplotách. 316L zvyšuje prah medzikryštalického ataku o 10-15 stupňov nad hranicu bežného 316 po žíhaní{5}{5} po druhom žíhaní. zóna pripevnenia príruby. Lokalizované indukčné žíhanie na 1050 stupňov a kalenie rozpúšťa karbidy chrómu a obnovuje odolnosť proti korózii. Ďalšou zmenou je zníženie teploty celkovej kyseliny o 5–10 stupňov. Malé poklesy teploty môžu výrazne predĺžiť životnosť bez ovplyvnenia účinnosti pasivácie. Po štvrté, aby sa zvýšil prechod kyseliny cez vykurovací povrch. Turbulentné prúdenie znižuje nárast povrchovej teploty plášťa z 15 stupňov na 8-10 stupňov pri rovnakej hustote wattov. Turbulentné prúdenie úspešne znižuje výkon ohrievača bez zníženia výkonu. V prípade pasivačných nádrží pracujúcich pri teplotách nad 45 stupňov v 30–40 % kyseline dusičnej môžu inžinieri zvážiť modernizáciu na nehrdzavejúcu oceľ s vysokým obsahom kremíka, ako je Durimet 20 alebo zliatinu titánu. Tieto materiály sú takmer nepriepustné pre medzikryštálový útok v kyseline dusičnej bez ohľadu na zváranie alebo tepelnú históriu. Pri špecifikácii ohrievačov pre pasivačný servis vždy uveďte správnu koncentráciu kyseliny dusičnej, teplotu v objeme a či ohrievač má alebo nemá privarené nástavce. Ak výrobca odporúča 316 pre 40% kyselinu dusičnú pri 50 °C bez zmienky o znížení hustoty vo wattoch alebo stupni 316L, nie je to úplná technická rada. Je postupný a tepelne ovplyvnená oblasť zváraného 1,2 mm plášťa sa stenčuje, až kým sa príruba neodpojí alebo z plášťa neunikne kyselina dusičná. Správny postup zvárania je oveľa účinnejším preventívnym opatrením ako kontrola, pretože napadnutie niekedy nie je viditeľné, kým sa zo zóny zvaru nestratí veľké množstvo materiálu.