Aká je kritická hrúbka plášťa pre ohrievače 316 z nehrdzavejúcej ocele v 15% roztoku na leptanie chloridu železitého pri 55 stupňoch s čiastočným ponorením

Základný obchod-v službe Aggressive Oxidising Chloride Service

FeCl3 (chlorid železitý) je jednou z najviac žieravých zlúčenín, ktoré sa často používajú pri priemyselnom leptaní a čistení odpadových vôd. Pri 15% koncentrácii a 55°C má tento roztok tri agresívne faktory: vysokú koncentráciu chloridových iónov (asi 10% hmotnosti), oxidujúci železitý ión udržujúci vysoký elektrochemický potenciál a kyslé pH (zvyčajne 1,5-2,5). Toto prostredie je mimo štandardného prevádzkového rozsahu nehrdzavejúcej ocele 316. Kritická teplota jamkovej jamky pre 316 v chloride železitom je pod 30 °C, takže pri 55 °C je jamkovanie isté a rýchle. V tejto službe nie je funkciou hrúbky plášťa zabrániť korózii, ale poskytnúť dostatočnú kovovú rezervu, aby bola schopná prežiť očakávané jamkovanie a rovnomerné napadnutie po stanovenú obmedzenú životnosť. Kritická hrúbka je minimálna hrúbka, ktorá môže byť perforovaná v požadovanom čase prevádzky a po prekročení ktorej má prídavný kov klesajúcu návratnosť, pretože rýchlosť korózie sa samozrýchľuje.

Odsadenie v roztokoch chloridu železitého

Zvyčajný test odolnosti nehrdzavejúcej ocele proti bodovej korózii je ASTM G48 (nie G46). Test využíva 6 % chlorid železitý pri 50 °C. Za týchto podmienok nehrdzavejúca oceľ 316 vo všeobecnosti vykazuje jamky po 24-72 hodinách s hĺbkou jamiek 0,2-0,5 mm. Agresivita je oveľa vyššia v 15% chloridu železitom pri 55°C. Laboratórne zistenia ukazujú, že 316 vzoriek z nehrdzavejúcej ocele vystavených 15 % FeCl3 pri 55 stupňoch vytvára viditeľné jamky v priebehu 4-8 hodín, pričom hĺbka jamiek dosahuje 0,5-1,0 mm po 100 hodinách nepretržitej expozície. Jamková jamka je autokatalytický proces, akonáhle sa jamka spustí, hydrolýza chloridu železitého v jamke vytvorí veľmi kyslé prostredie bohaté na chloridy, ktoré podporuje následné rozpúšťanie. Rýchlosti rastu jamiek v tomto prostredí sú lineárne alebo mierne zrýchľujúce, zvyčajne 0,1-0,3 mm za deň nepretržitej expozície. Pre prerušovaný ohrievač, napríklad 8 hodín denne, 5 dní v týždni, je efektívna rýchlosť rozvoja jamy asi 0,03-0,10 mm každý prevádzkový deň. Projektovaná maximálna hĺbka jamy na šesťmesačnú životnosť (približne. 500 prevádzkových hodín) je 2 – 5 mm.

Čiastočné ponorenie a útok v parnej fáze

Potreba čiastočného ponorenia pridáva druhý, nebezpečnejší mechanizmus zlyhania. Rozhranie kvapalina-pary je obzvlášť závažné v prevádzke s chloridom železitým, pretože odparovanie koncentruje soľ na povrchu plášťa nad vedením kvapaliny. Voda sa odparí a kryštály chloridu železitého sa hromadia na horúcom plášti. Tieto rozplývavé kryštály nasávajú vlhkosť z atmosféry a vytvárajú nasýtenú soľanku, ktorá je korozívnejšia ako objemový roztok. Teplota kvapaliny je zvyčajne nižšia ako teplota exponovanej časti plášťa pary, pretože chladenie vzduchom je menej účinné ako chladenie kvapalinou. Pre ohrievač s celkovou dĺžkou ponorenia 500 mm a 100 mm nad kvapalinou môže mať exponovaná časť 80-100°C a ponorená časť 55-60°C. Pri týchto vyšších teplotách môže byť rýchlosť korózie v parnej zóne 5 až 10-krát vyššia ako v kvapaline. Opakované terénne kontroly čiastočne ponorených ohrievačov v nádržiach s chloridom železitým ukázali, že porucha sa vyskytuje na rozhraní kvapalina-para a nie v úplne ponorenej oblasti. Kritická hrúbka pre túto službu je teda riadená rýchlosťou ataku na rozhraní, a nie koróziou hromadnej kvapaliny.

Tepelné obmedzenia a medza hrubých stien

Tepelná penalizácia hrubých stien je problematická pri použití chloridu železitého, čo vytvára nebezpečnú spätnú väzbu. Ak je ohrievač čiastočne ponorený, exponovaná časť sa ochladí prirodzeným prúdením vzduchu. Súčiniteľ prestupu tepla vzduchu je len 10-30 W/m2·K, ale pre kvapalinu je to 500-1000 W/m2·K. Časť, ktorá je vystavená, horí pri oveľa vyššej teplote ako časť ponorená. Použitím hrubšej steny (2,5 mm namiesto 1,5 mm) sa zvýši teplota exponovanej časti o ďalších 15-25°C, pretože väčšia stena izoluje vnútorný odporový drôt. Rýchlosť korózie nehrdzavejúcej ocele 316 v soľanke chloridu železitého pri 120 °C je približne trikrát vyššia ako pri 100 °C. Hrubšia stena, hoci je určená ako väčšia rezerva kovu, môže v skutočnosti znížiť životnosť, pretože zvyšuje povrchovú teplotu a urýchľuje napadnutie. Tepelné modelovanie naznačuje, že ohrievač s vonkajším priemerom 12 mm pracujúci pri 8 W/cm² v 55 °C chloride železitom so 100 mm vystavenými vzduchu pri 25 °C bude mať exponovanú časť pri 95 °C pre 1,2 mm stenu, 110 °C pre 1,8 mm stenu a 125 °C pre 2,5 mm stenu. Rýchlosť korózie pri 125 stupňoch je približne päťkrát vyššia ako pri 95 stupňoch. Takže efektívna životnosť sa nezvyšuje úmerne k hrúbke.

Odporúčania kritickej hrúbky pre krátkodobý servis

Kvôli agresívnemu prostrediu a samovoľne sa urýchľujúcej povahe útoku sa filozofia dizajnu ohrievačov chloridu železitého musí zmeniť z „dlhej životnosti“ na „predvídateľnú krátku životnosť s plánovanou výmenou“. Minimálna hrúbka 1,8-2,0 mm je potrebná na životnosť 6 mesiacov pri 8 hodinách prevádzky denne. Hrúbka poskytuje dostatočnú kovovú rezervu, aby odolala predpokladanej 2-5 mm jamkovej jamke pri kontakte kvapalina-para. Tenšie steny 1,2-1,5 mm sa zvyčajne perforujú za 2-4 mesiace. Hrubšie steny sa neodporúčajú nad 2,5 mm, pretože tepelná penalizácia zvyšuje teplotu exponovanej sekcie do teplotného rozsahu, kde sa korózia zrýchľuje do bodu, že prídavný kov neposkytuje žiadnu čistú výhodu. 3-mesačná životnosť je dostatočná pri hrúbke 1,5 – 1,6 mm. 1.2. Hrúbka mm môže postačovať na jeden mesiac životnosti alebo na jednodávkové postupy. Za každých okolností treba ohrievač vnímať ako spotrebný materiál so stanoveným plánom výmeny.

Alternatívne stratégie, ktoré porazia hrubšie steny

Nerezová oceľ 316 v akejkoľvek praktickej hrúbke spoľahlivo nevydrží dlhodobé-používanie v 15 % chloridu železitom pri 55 °C s čiastočným ponorením. Dôležitou inžinierskou otázkou nie je, akú hrúbku použiť. Ide o to, či sa dá 316 vôbec použiť. Štandardným materiálom na ohrev chloridom železitým je titán (stupeň 2). Titán vytvára stabilný pasívny povlak v chloride železitom a nepraská ani pri 80-90°C. 1,0-1,2 mm titánové puzdro vydrží 10-20 krát dlhšie ako 2,5 mm 316 puzdro. Ak titán nie je k dispozícii, vynikajúcu odolnosť možno dosiahnuť pomocou ohrievačov potiahnutých fluórpolymérom (PTFE alebo PFA na jadre 316), ktoré izolujú kov od roztoku. Ak je však použitie také, že ohrievač je vždy úplne ponorený (bez rozhrania pár), potom 316 pri hrúbke 2,0 mm môže vydržať 6 až 12 mesiacov, ale stále je lepšia možnosť s povrchovou úpravou alebo titánom.

Záver: Kritická hrúbka pre definíciu životnosti

Základná hrúbka plášťa pre ohrievače z nehrdzavejúcej ocele 316 v 15 % chloride železitom pri 55 stupňoch s čiastočným ponorením je 1,8-2,0 mm pre šesť-mesačnú životnosť pri prerušovanej prevádzke. Táto hrúbka je kompromisom medzi potrebou kovovej rezervy a tepelným zrýchlením korózie, ku ktorému dochádza pri hrubších stenách. Tenké steny predčasne zlyhajú prepichnutím pri kontakte kvapalina-plyn. Hrubšie bariéry nepridávajú život, ale rýchlosť útočia a zvyšujú teplo exponovaného úseku. Najdôležitejšou radou je vyhnúť sa 316 SS v tejto službe, ak existuje nejaká alternatíva. Ak je to potrebné, technik poskytne plánovanú životnosť v mesiacoch, denné hodiny prevádzky a dĺžku exponovanej parnej zóny. Tieto informácie určia, či je 316 vhodný alebo či sú potrebné titánové alebo potiahnuté plášte. Špecifikácia by mala navyše obsahovať nariadený plán inšpekcií v polovici odhadovanej životnosti na monitorovanie hĺbky jamy a určenie, či je potrebná skorá výmena.