Za inženjere hemijskih procesa koji rade na električnim uranjajućim grijačima u proizvodnji fosfatnog đubriva, kupkama za obradu metala i opremom za obradu hrane koja rukuje fosfornom kiselinom, odabir nehrđajućeg čelika 316 kao materijala omota zahtijeva pažljivu pažnju i na otpornost na koroziju i na termičke performanse. Fosforna kiselina je manje agresivna od hlorovodonične ili sumporne kiseline, ali na povišenim temperaturama iznad 80 stepeni i koncentracijama iznad 10% može izazvati ubrzani napad na nerđajući čelik 316, posebno u zonama zavara i područjima visokog zaostalog naprezanja. Debljina stijenke omotača određuje količinu korozije koja je dostupna tokom radnog vijeka grijača, ali odnos je nelinearan jer se stope korozije često povećavaju kako se zid tanji i povećava gustina lokalne struje. Ovaj članak daje kvantitativno predviđanje vijeka trajanja za omotač od 1,2 mm 316 u 15% fosfornoj kiselini na 110 stupnjeva, na osnovu objavljenih podataka o koroziji i terenskog iskustva iz kemijskih postrojenja.
Korozivno ponašanje nerđajućeg čelika 316 u vrućoj fosfornoj kiselini
U fosfornoj kiselini u koncentracijama između 10% i 30% na temperaturama iznad 80 stepeni, nerđajući čelik 316 pokazuje opšte stope korozije u rasponu od 0,1 do 0,5 mm godišnje u zavisnosti od čistoće kiseline, temperature i brzine protoka. Mehanizam korozije je prvenstveno ravnomjerno stanjivanje, a ne udubljenje, jer fosforna kiselina nije jako oksidirajuća i ne sadrži kloride koji pospješuju lokalizirani napad. Međutim, nečistoće u komercijalnoj -fosfornoj kiselini-posebno fluoridi, sulfati i kloridi iz fosfatnih stijena-mogu ubrzati napad i potaknuti pojavu rupa. Za 15% fosfornu kiselinu na 110 stepeni sa tipičnom industrijskom čistoćom, opšta stopa korozije od 316 je približno 0,25 mm godišnje. Ova stopa pretpostavlja da je temperatura površine omotača unutar 5 stepeni od temperature mase kiseline. U stvarnosti, plašt grijača radi na višoj temperaturi zbog toplotnog toka. Za plašt od 1,2 mm zid 316 koji radi na 6 W/cm² u kiselini od 110 stepeni, temperatura spoljne površine je približno 125 stepeni. Na ovoj temperaturi, stopa korozije se povećava na približno 0,35 mm godišnje. Porast temperature od toplotnog toka dodaje približno 40% stopi korozije u poređenju sa samo temperaturom kiseline.
Proračun radnog vijeka za debljinu zida od 1,2 milimetra
Plašt od 1,2 mm 316 počinje sa nominalnom debljinom od 1,2 mm, ali proizvodne tolerancije od ±0,1 mm znače da bi minimalna debljina mogla biti 1,1 mm. Za proračun vijeka trajanja, konzervativni pristup koristi minimalnu debljinu. Stopa korozije od 0,35 mm godišnje troši 0,35 mm godišnje. Međutim, ne može se sva debljina zida korodirati prije kvara. Potrebna je minimalna debljina konstrukcije od 0,5 mm kako bi se izdržao unutrašnji pritisak od ekspanzije MgO i bilo koji vanjski procesni pritisak. Stoga je upotrebljivi dodatak korozije 1,1 mm minus 0,5 mm jednako 0,6 mm. Pri 0,35 mm godišnje, izračunati vijek trajanja je 0,6 podijeljen sa 0,35 što je 1,7 godina. Ovo je vrijeme dok plašt ne dostigne minimalnu strukturnu debljinu. U praksi se grijači često zamjenjuju kada preostala debljina zida dostigne 0,7–0,8 mm kako bi se osigurala sigurnosna granica. Na tom pragu zamjene, vijek trajanja se smanjuje na otprilike 1,2 godine. Za pet{28}}godišnji vijek trajanja, početna debljina zida bi trebala biti 0,35 pomnožena sa 5 plus 0,5 strukturna margina plus 0,1 tolerancija je jednako 2,35 mm-približno 2,5 mm. Stoga je zidni omotač 316 od 1,2 mm u ovom servisu pogodan samo za aplikacije gdje je godišnja zamjena prihvatljiva.
Preporučena debljina zida za upotrebu fosforne kiseline
Sljedeća tabela daje preporučene 316 debljine stijenke omotača za električne uranjajuće grijače u opskrbi fosfornom kiselinom na temelju koncentracije, temperature i ciljanog vijeka trajanja. Vrijednosti pretpostavljaju komercijalnu kiselinu-sa tipičnim nečistoćama i gustinom u vatima od 4-6 W/cm².
| Koncentracija fosforne kiseline | Temperatura rasute kiseline | Ciljani vijek trajanja | Preporučena minimalna debljina zida 316 | Očekivana stopa korozije na površini | Vijek trajanja pri preporučenoj debljini |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 – 15% | 80 – 100 stepeni | 2 godine | 1,2 mm | 0,20 – 0,30 mm/god | 1,5 – 2,5 godine |
| 10 – 15% | 80 – 100 stepeni | 5 godina | 2,0 mm | 0,20 – 0,30 mm/god | 4 – 6 godina |
| 10 – 15% | 100 – 120 stepeni | 2 godine | 1,6 mm | 0,30 – 0,45 mm/god | 2 – 3 godine |
| 10 – 15% | 100 – 120 stepeni | 5 godina | 2,5 mm | 0,30 – 0,45 mm/god | 5 – 7 godina |
| 15 – 25% | 80 – 100 stepeni | 2 godine | 1,6 mm | 0,25 – 0,40 mm/god | 2 – 3 godine |
| 15 – 25% | 80 – 100 stepeni | 5 godina | 2,5 mm | 0,25 – 0,40 mm/god | 5 – 6 godina |
| 15 – 25% | 100 – 120 stepeni | 1 godina | 1,6 mm | 0,40 – 0,60 mm/god | 1 – 2 godine |
| 15 – 25% | 100 – 120 stepeni | 3 godine | 2,5 mm | 0,40 – 0,60 mm/god | 3 – 4 godine |
| Iznad 25% | Bilo koja temperatura | Bilo koji | Ne preporučuje se | Iznad 0,60 mm/god | Unpredictable; koristiti višu leguru |
Za koncentraciju fosforne kiseline iznad 25% na temperaturama iznad 100 stepeni, nerđajući čelik 316 je generalno neprikladan bez obzira na debljinu zida. U ovim uslovima, inženjeri bi trebali izvršiti nadogradnju na leguru sa visokim{4}}molibdenom kao što je Alloy 20 (Carpenter 20) ili Alloy 625, koje imaju stope korozije dva reda veličine niže od 316 u vrućoj fosfornoj kiselini.
Modifikacije dizajna kako bi se produžio vijek trajanja bez povećanja debljine zida
Kada se omotač od 1,2 mm 316 mora koristiti u toploj fosfornoj kiselini zbog ograničenja prostora ili termičke reakcije, tri modifikacije dizajna mogu produžiti vijek trajanja preko izračunatih 1,7 godina. Prvi je smanjenje gustoće vata. Rad sa 3 W/cm² umjesto 6 W/cm² smanjuje temperaturu površine plašta sa 125 stepeni na približno 116 stepeni, smanjujući stopu korozije sa 0,35 na približno 0,22 mm godišnje. Time se produžava vijek trajanja sa 1,7 godina na 2,7 godina. Druga modifikacija je pasivizacija površine plašta sa 20% azotne kiseline na 50 stepeni 60 minuta pre ugradnje. Pasivacijom se uklanjaju ugrađene čestice gvožđa i zgušnjava sloj hrom-oksida, smanjujući početnu stopu korozije za 20-30% tokom prvih nekoliko meseci rada. Treća modifikacija je kontrola čistoće kiseline. Ako se fluoridi mogu zadržati ispod 50 ppm, a hloridi ispod 100 ppm, stopa korozije može pasti na 0,15-0,20 mm godišnje, produžavajući vijek trajanja na 3-4 godine. Za kritične primjene gdje bi neplanirani kvar grijača uzrokovao značajan gubitak u proizvodnji, inženjeri bi trebali instalirati rezervni grijač ili dizajnirati rezervoar s dvostrukim grijačima tako da se jedan može zamijeniti dok drugi održava temperaturu. Trošak rezervnog grijača je skroman u odnosu na cijenu neplaniranog prekida u kontinuiranoj hemijskoj proizvodnji. Kada specificirate grijače za fosfornu kiselinu, uvijek zatražite ispitivanje kupona korozije koristeći stvarnu kiselinu iz procesnog toka. Objavljeni podaci daju procjene, ali stvarna-čistoća kiseline značajno varira između postrojenja, pa čak i između proizvodnih serija. Tromjesečni kuponski test korištenjem uzorka od 1,2 mm 316 uronjenog u procesnu kiselinu na očekivanoj temperaturi omotača je najpouzdaniji prediktor vijeka trajanja. Trošak ovog testa je obično manji od cijene jednog neispravnog grijača.
