Za inženjere koji dizajniraju električne imerzione grijače za proizvodnju poluvodiča, sisteme za farmaceutsku vodu i laboratorijsku opremu, dejonizirana voda visoke{0}}čistoće predstavlja paradoks. Deionizirana voda je agresivno korozivna za mnoge metale uprkos svojoj visokoj električnoj otpornosti jer joj nedostaju otopljeni ioni koji normalno formiraju zaštitne pasivne slojeve. Za nehrđajući čelik 316, pasivni film krom oksida ostaje stabilan u deioniziranoj vodi na sobnoj temperaturi. Međutim, na povišenim temperaturama iznad 80°C, topljivost kisika se smanjuje dok se potencijal korozije povećava, što dovodi do prijelaza iz pasivne u aktivnu koroziju. Debljina stijenke omotača 316 određuje i dopuštenu količinu korozije koja je dostupna tokom radnog vijeka grijača i temperaturu površine za datu gustoću u vatima. Ovaj članak utvrđuje maksimalnu dozvoljenu debljinu zida za 316 omotača u deioniziranoj vodi visoke{10}}čistoće na osnovu objavljenih podataka o stopi korozije i praktičnog iskustva iz industrije ultra čiste vode.
Mehanizmi korozije nerđajućeg čelika 316 u dejonizovanoj vodi na visokim temperaturama
U dejonizovanoj vodi visoke{0}}čistoće sa otpornošću iznad 1 megohm-centimetar, koncentracija agresivnih jona kao što su hloridi je izuzetno niska. Međutim, odsustvo otopljenih soli ne čini vodu benignom. Na temperaturama iznad 80°C, nehrđajući čelik 316 može biti podvrgnut općoj koroziji i, što je još važnije, lokaliziranoj koroziji na mjestima gdje je pasivni film oštećen. Brzina korozije u deioniziranoj vodi slijedi Arrheniusov odnos, otprilike se udvostručuje za svakih 25°C povećanja temperature. Na 90°C, opća stopa korozije od 316 u dejoniziranoj vodi je otprilike 0,02 do 0,05 milimetara godišnje. Na 120°C, stopa se povećava na 0,10 do 0,20 milimetara godišnje. Na 150°C, stopa dostiže 0,30 do 0,50 milimetara godišnje. Ove stope mogu izgledati niske, ali za grijač za koji se očekuje da radi neprekidno 5 do 10 godina, stopa od 0,10 mm godišnje troši 0,5 do 1,0 mm debljine zida. Plašt od 1,0 mm u početku bi se smanjio na 0,5 mm nakon pet godina, u kom trenutku mehanički integritet postaje upitan. Korozija nije savršeno ujednačena. Korozija udubljenja i pukotina može proizvesti lokalizirane stope prodiranja dva do pet puta veće od opće stope korozije, posebno na spojevima za montažu i zonama zavara.
Kako debljina zida utječe na vijek trajanja u dejoniziranoj vodi
Odnos između debljine stijenke omotača 316 i vijeka trajanja u deioniziranoj vodi na visokim{1}}temperaturama je približno linearan, pod pretpostavkom da opća korozija dominira. Za potreban radni vek od pet godina na 95°C sa stopom korozije od 0,04 mm godišnje, potreban dodatak korozije je 0,20 mm. Ako se ovo doda minimalnoj debljini zida konstrukcije od 0,7 mm, dobija se potrebna početna debljina od 0,9 mm. Plašt od 1,2 mm bi obezbijedio sigurnosnu granicu od 0,3 mm iznad dopuštene korozije, produžavajući potencijalni vijek trajanja preko osam godina. Međutim, povećanje debljine stijenke također povećava temperaturu vanjske površine za datu gustoću u vatima. U deioniziranoj vodi, više površinske temperature eksponencijalno ubrzavaju koroziju. Plašt od 2,0 mm koji radi na 10 W/cm² u vodi od 95°C može imati temperaturu vanjske površine od 115°C, pri čemu je stopa korozije približno 0,08 mm godišnje-dvostruko veća od one od omotača od 1,2 mm na temperaturi površine 105°C. Deblji omotač zahtijeva više otpornosti na koroziju, ali i brže korodira. Ova interakcija proizvodi optimalnu debljinu zida za maksimalni vijek trajanja, a ne monoton odnos. Proračuni zasnovani na objavljenim podacima o koroziji pokazuju da je za deioniziranu vodu na 95°C pri 10 W/cm², optimalna debljina stijenke plašta od 316 za maksimalni vijek trajanja iznosi približno 1,4 mm. Ispod 1,0 mm, dodatak korozije je nedovoljan. Iznad 1,8 mm, ubrzana korozija zbog veće površinske temperature nadoknađuje dodatni materijal.
Maksimalna preporučena debljina zida za deioniziranu vodu
Sljedeća tabela daje preporučene maksimalne debljine plašta od 316 za električne uranjajuće grijače u dejoniziranoj vodi visoke{1}}čistoće. Vrijednosti pretpostavljaju kontinuirani rad, nivoe rastvorenog kiseonika ispod 100 delova na milijardu i otpornost iznad 1 megohm-centimetar. Za sisteme sa višim nivoom kiseonika ili nižom čistoćom, stope korozije mogu biti veće i treba specificirati tanje zidove.
| Temperatura deionizirane vode | Preporučeni opseg gustine u vatima | Maksimalna preporučena 316 debljina zida omotača | Očekivani vijek trajanja pri maksimalnoj debljini | Režim kvara na maksimalnoj debljini | Alternativna preporuka |
|---|---|---|---|---|---|
| 80 – 90°C | 8 – 12 W/cm² | 1,8 mm | 8 – 10 godina | Opće razrjeđivanje korozije | Prihvatljivo za dugotrajne-aplikacije |
| 80 – 90°C | 12 – 15 W/cm² | 1,4 mm | 6 – 8 godina | Korozija plus termički stres | Standardna preporuka |
| 90 – 100°C | 6 – 10 W/cm² | 1,6 mm | 5 – 7 godina | Pitting na površinskim defektima | Smanjite gustoću u vatima za duži vijek trajanja |
| 90 – 100°C | 10 – 12 W/cm² | 1,2 mm | 4 – 6 godina | Opća korozija | Najčešća specifikacija |
| 100 – 120°C | 4 – 8 W/cm² | 1,2 mm | 3 – 5 godina | Ubrzana korozija | Uzmite u obzir titanijumski omotač |
| 100 – 120°C | 8 – 10 W/cm² | 1,0 mm | 2 – 3 godine | Zamor od korozije | Preporučuje se nadogradnja legure |
| Iznad 120°C | Ispod 5 W/cm² | Ne preporučuje se | Nepredvidivo | Brza lokalizirana korozija | Koristite titan ili leguru C-276 |
Za bilo koju primjenu deionizirane vode iznad 100°C, inženjeri bi trebali ozbiljno razmotriti nadogradnju sa nehrđajućeg čelika 316 na titanijum ili leguru sa visokim{2}}niklom kao što je legura 22. Titanijum ima stopu korozije u visoko{4}}temperaturnoj deioniziranoj vodi koja je dva reda veličine, što omogućava mnogo duži vijek trajanja od 316. Veći početni trošak titanijuma se često nadoknađuje smanjenjem učestalosti zamene i eliminisanjem rizika od metalne kontaminacije u osetljivim procesima.
Modifikacije dizajna kako bi se produžio vijek trajanja bez povećanja debljine zida
Kada je debeo omotač od 316 potreban iz mehaničkih razloga-kao što su zadržavanje pritiska ili otpornost na vibracije-u primjeni deionizirane vode, tri modifikacije dizajna mogu ublažiti ubrzanu koroziju zbog veće površinske temperature. Prvi i najefikasniji je smanjenje gustoće vata. Prepolovljenje gustine u vatima sa 12 W/cm² na 6 W/cm² smanjuje temperaturu spoljašnje površine plašta za približno 10-15°C, što smanjuje stopu korozije za 30-40%. Kompromis{14}}je povećanje dužine ili prečnika grijača kako bi se postigla ista ukupna snaga. Druga modifikacija je pasivizacija površine omotača nakon proizvodnje. Obrada dušičnom kiselinom ili limunskom kiselinom uklanja slobodno željezo i površinske zagađivače, stvarajući ujednačeniji i stabilniji pasivni film koji je otporan na iniciranje korozije. Pasivirano 316 omotača u deioniziranoj vodi pokazalo je stope korozije 20-30% niže od ne-pasiviranih uzoraka u kontroliranom testiranju. Treća modifikacija uključuje kontrolu kemije vode. Održavanje rastvorenog kiseonika ispod 5 delova na milijardu-koje se može postići sa azotnim pokrivanjem ili vakuumskim degaziranjem-smanjuje brzinu katodne reakcije i usporava koroziju. Međutim, ekstremno nizak nivo kiseonika takođe može da promoviše nestabilnost pasivnog filma, tako da je uski prozor od 5-50 delova na milijardu optimalan. Za većinu sistema dejonizovane vode, ove modifikacije nisu praktične, čineći odabir debljine zida primarnim alatom za upravljanje vijekom trajanja korozije. Inženjeri bi trebali specificirati ciljni vijek trajanja za proizvođača grijača i zatražiti izračunati dodatak za koroziju na osnovu očekivane radne temperature i gustine u vatima, umjesto da odabiru debljinu zida samo na osnovu mehaničkih pravila.
