Za inženjere hemijskih procesa koji dizajniraju električne uranjajuće grejače za proizvodnju natrijum hipohlorita, proizvodnju izbeljivača i sisteme za dezinfekciju vode, izbor nerđajućeg čelika 316 kao materijala omotača predstavlja značajan izazov. Natrijum hipohlorit je snažno oksidirajuća otopina s visokim-pH koja agresivno napada mnoge metale. Dok nehrđajući čelik 316 nudi bolju otpornost od 304 zbog svog sadržaja molibdena, on je još uvijek podložan pitting, koroziji u pukotinama i pucanju korozijom pod naponom u radu hipoklorita, posebno pri povišenim temperaturama i koncentracijama. Debljina stijenke omotača određuje dopuštenost korozije i, što je još važnije, vrijeme potrebno da lokalizirana rupica prodre u zid. Ovaj članak utvrđuje minimalnu preporučenu debljinu stijenke za 316 omotača u razrijeđenom natrijum hipohloritu na osnovu objavljenih podataka o koroziji i terenskog iskustva iz industrije proizvodnje izbjeljivača.
Mehanizmi korozije nerđajućeg čelika 316 u natrijum hipohloritu
Natrijum hipohlorit (NaOCl) je snažno oksidaciono sredstvo koje održava pasivni film na nerđajućem čeliku 316 u idealnim uslovima. Međutim, nekoliko faktora potiče lokalizirani napad. Hipohloritni jon je oksidant koji sadrži hlorid-, što znači da istovremeno obezbeđuje i agresivni hloridni anjon i oksidacioni potencijal koji može razbiti pasivni film. Pri koncentracijama iznad 1% dostupnog hlora i temperaturama iznad 35 stepeni, 316 može iskusiti pitting stopama od 0,5-2,0 mm godišnje. Udubljenje je visoko lokalizirano, s dubinom jame koja dostiže 1 mm u roku od nekoliko mjeseci, dok okolna područja ostaju nepromijenjena. Za plašt grijača za uranjanje, jedna duboka jama može prodrijeti u zid i uzrokovati ulazak procesne tekućine, električni kvar i kontaminaciju otopine hipoklorita ionima metala koji kataliziraju razgradnju. Opće stope korozije su niske-obično ispod 0,05 mm godišnje-tako da se debljina zida prvenstveno troši na udubljenje, a ne ravnomjerno stanjivanje. To znači da povećanje debljine zida pruža samo ograničenu zaštitu jer će jama koja se formira na lokaliziranom slabom mjestu probiti zid od 2,0 mm tek nešto sporije od zida od 1,0 mm. Ključni parametar nije prosječna debljina, već odsustvo površinskih defekata i zaostalih napona koji služe kao mjesta inicijacije jame.
Utjecaj debljine zida na vrijeme prodiranja udubljenja
Za datu koncentraciju hipohlorita i temperaturu, stopa prodiranja udubljenja je približno konstantna kada se jama započne. Podaci iz testova uranjanja u 5% NaOCl na 40 stepeni pokazuju da 316 uzoraka sa poliranim površinama pokazuje inicijaciju udubljenja nakon 200–500 sati. Jednom započete, jame se razmnožavaju brzinom od 0,03–0,08 mm dnevno (približno 0,9–2,4 mm mjesečno). Ovom brzinom, zid od 1,0 mm bi se probio za 13-33 dana nakon otvaranja jame. Zid od 2,0 mm preživio bi 22-67 dana nakon inicijacije. Ukupni vijek trajanja je zbir vremena inicijacije i vremena širenja. Za omotač od 1,0 mm, ukupni vijek trajanja je otprilike 200-500 sati plus 13-33 dana, ili otprilike 20-50 dana. Za omotač od 2,0 mm, ukupni vijek trajanja je 200-500 sati plus 22-67 dana, ili otprilike 30-80 dana. Deblji zid produžava vijek trajanja za samo 10-30 dana-što je skromno poboljšanje s obzirom na dodatnu cijenu materijala i termičku kaznu. Ovi kratki vijek trajanja objašnjavaju zašto se 316 rijetko koristi za kontinuirano uranjanje u natrijum hipohlorit iznad koncentracije od 1% i 30 stepeni. Za primjene koje zahtijevaju duži vijek trajanja, neophodni su alternativni materijali kao što su titanijum ili specijalne legure.
Preporuke za minimalnu debljinu zida za servis hipohlorita
Sljedeća tabela daje minimalne preporučene 316 debljine stijenke omotača za električne uronjene grijače za natrijum hipohlorit. Vrijednosti pretpostavljaju kontinuirani rad, pravilan dizajn sistema kako bi se minimizirali pukotine i stagnacija, i prihvatanje relativno kratkog vijeka trajanja mjeren sedmicama ili mjesecima, a ne godinama.
| Dostupna koncentracija hlora | Temperatura rastvora | Očekivana stopa pittinga (nakon iniciranja) | Minimalna preporučena 316 debljina zida | Očekivani ukupni vijek trajanja pri minimalnoj debljini | Alternativna preporuka |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 – 2% | 20 – 30 stepeni | 0,5 – 1,0 mm/mjesečno | 1,6 mm | 2 – 4 mjeseca | Marginalni; poželjan titanijum |
| 1 – 2% | 30 – 40 stepeni | 0,8 – 1,5 mm/mjesečno | 2,0 mm | 1,5 – 3 mjeseca | Titanijum se toplo preporučuje |
| 2 – 5% | 20 – 30 stepeni | 0,8 – 1,5 mm/mjesečno | 2,0 mm | 1,5 – 2,5 mjeseca | Titanijum je potreban za pouzdan servis |
| 2 – 5% | 30 – 40 stepeni | 1,2 – 2,0 mm/mjesečno | 2,5 mm | 1 – 2 mjeseca | Titanijum obavezan |
| 5 – 10% | 20 – 30 stepeni | 1,5 – 2,5 mm/mjesečno | Ne preporučuje se | Manje od 1 mjeseca | Koristite titanijum ili leguru C-276 |
| Svaka koncentracija | Iznad 40 stepeni | 2,0 – 4,0 mm/mjesečno | Ne preporučuje se | Sedmice | Titanijumsko ili ne{0}}grijanje |
| Povremeni ili paketni servis | Bilo koja temperatura | Niži zbog sušenja | 1,2 – 1,6 mm | Varijabilna | Prihvatljivo za aplikacije koje nisu-kritične |
Za bilo koju upotrebu natrijum hipohlorita iznad 2% koncentracije ili 30 stepeni, nerđajući čelik 316 je loš izbor bez obzira na debljinu zida. Kratak vijek trajanja i rizik od iznenadnog kvara udubljenja čine ga neprikladnim za kritične procese. Titan (Grade 2 ili Grade 7) ima izuzetnu otpornost na natrijum hipohlorit, sa stopama korozije ispod 0,01 mm godišnje čak i pri povišenim koncentracijama i temperaturama. Veći početni trošak titanijuma-obično 3-5 puta veći od 316-brzo se nadoknađuje kroz produženi vijek trajanja i smanjeno održavanje.
Modifikacije dizajna za produženje vijeka trajanja omotača 316 u servisu hipoklorita
Kada se 316 mora koristiti u razrijeđenom hipohloritu zbog ograničenja troškova ili dostupnosti materijala, četiri modifikacije dizajna mogu produžiti vijek trajanja iznad vrijednosti prikazanih u tabeli. Prvi je održavanje pH hipohlorita iznad 11. Otopine natrijum hipohlorita ispod pH 11 podležu ubrzanoj razgradnji i postaju agresivnije prema nerđajućem čeliku. Automatska kontrola pH sa dodatkom kaustičnog materijala može smanjiti stope pittinga za 50-70%. Druga modifikacija je da se površina omotača zadrži što je moguće glađom. Elektropolirani 316 sa završnom obradom površine ispod 0,2 mikrona Ra ima manje mjesta iniciranja udubljenja nego kao-materijal, produžavajući vrijeme inicijacije za faktor 2-4. Treća modifikacija je rad na najnižoj mogućoj gustoći vata. Smanjenje gustine u vatima sa 10 W/cm² na 5 W/cm² snižava temperaturu površine omotača za 10-15 stepeni, smanjujući stopu pittinga za približno 30-40% u temperaturnom{21}}osjetljivom opsegu od 30-50 stepeni. Četvrta modifikacija je povremeno čišćenje površine omotača kako bi se uklonile naslage koje stvaraju mjesta pukotina. Tjedno ispiranje vodom ili pranje razrijeđenom kiselinom može značajno produžiti vijek trajanja. Za većinu primjena u industrijskoj proizvodnji izbjeljivača, ove modifikacije su nedovoljne da bi 316 postao pouzdan materijal. Inženjeri bi trebali specificirati titanijumske omote za svaki grijač koji će biti uronjen u natrijum hipohlorit za više od povremene upotrebe. Trošak jednog kvara 316 grijača-uključujući zastoje u proizvodnji, kontaminaciju otopine i zamjenski rad-obično premašuje inkrementalnu cijenu titanijuma. Kada dajete specifikacije za upotrebu hipohlorita, uvijek navedite točnu koncentraciju, temperaturu i očekivane dnevne radne sate. Dobavljač koji preporučuje 316 za kontinuirani servis hipohlorita iznad 2% koncentracije bez rasprave o ograničenjima ovog materijala ne daje odgovorne inženjerske smjernice. Za aplikacije u kojima je cijena titanijuma-preskupa, razmotrite alternativne metode grijanja kao što je zagrijavanje vanjskog spremnika kroz izmjenjivač topline od titanijuma ili ubrizgavanje pare, čime se izbjegava direktno uranjanje metala u agresivni rastvor hipohlorita.
