Pri kateri specifični kombinaciji koncentracije kavstika in temperature površine plašča preide 1,6-milimetrski plašč iz nerjavečega jekla 316 iz pasivne v aktivno korozijo pri uporabi natrijevega hidroksida za sisteme CIP?

Procesni inženirji, ki izdelujejo električne potopne grelnike za čiste--sisteme za predelavo hrane, farmacevtsko proizvodnjo in proizvodnjo pijač, uporabljajo natrijev hidroksid kot glavno čistilno kemikalijo. Tipične CIP raztopine so sestavljene iz 1-3 % NaOH pri 70-85 stopinjah. V tej situaciji nastane pasivni film in na splošno je odpornost nerjavečega jekla 316 na korozijo dobra. Vendar pa se lahko pri višjih koncentracijah ali višjih površinskih temperaturah zaradi gostote v vatih grelnika pasivni film razgradi in pride do aktivne korozije s hitrostjo, ki presega 1 milimeter na leto. Običajne debeline stene CIP grelnikov so 1,6 mm, kar daje razumen kompromis med dovoljeno korozijo in toplotno odzivnostjo. Prispevek določa koncentracijo jedke in površinsko temperaturo plašča, kjer se 1,6 mm 316 plašč spremeni iz pasivne v aktivno korozijo pri uporabi natrijevega hidroksida.

316 Prehod natrijevega hidroksida iz pasivnega v aktivnega
Natrijev hidroksid je edinstven med alkalnimi raztopinami, saj korozijsko obnašanje nerjavečega jekla 316 kaže jasen pasivno-aktivni prehod, ki je odvisen tako od koncentracije kot temperature. V razredčenih raztopinah pod 5 % NaOH in temperaturah pod 80 oC 316 ostane pasiven s stopnjami korozije manj kot 0,05 mm na leto. Z naraščanjem koncentracije ali zvišanjem temperature postane pasivni film nestabilen. Pri 10 % NaOH je temperatura prehoda približno 90 stopinj. Zniža se na 75C 20% NaOH. Pri 30% NaOH vrednost pade na 60 stopinj. Pri 50 % NaOH nad 40 stopinj pasivno območje popolnoma izgine. Temperatura površine plašča je običajno 15–30 stopinj višja od temperature osnovne raztopine za potopni grelnik zaradi uporabljene gostote v vatih. Sistem CIP s 3 % NaOH in temperaturo v razsutem stanju 80 stopinj z grelcem 8 W/cm² zagotavlja temperaturo površine plašča 95-105 stopinj. Pasivna prevleka na 316 se lahko razgradi pri tej površinski temperaturi, aktivna korozija pa se pojavi s hitrostjo 0,5–2 mm na leto. Aktivna korozija bo preluknjala 1,6 mm ovoj v 1–3 letih, pasivno delovanje pa bo dalo 10+ let delovanja.

Kritični pragovi prehoda za ovoj 1,6 mm
Elektrokemijsko testiranje 316 vzorcev v raztopinah natrijevega hidroksida pri temperaturah, povezanih s storitvijo CIP, je pokazalo, da bodo naslednje kombinacije koncentracije kavstične raztopine v razsutem stanju in površinske temperature plašča povzročile pasivni-na-aktivni prehod za 1,6 mm steno. Vrednosti so za standardno brušeno poliranje površin in tipično vatno gostoto 6–8 W/cm².

Koncentracija natrijevega hidroksida (masni %) Temperatura prehoda iz pasivne v aktivno Najnižja temperatura površine plašča za aktivno korozijsko varno temperaturo v razsutem stanju za 1,6 mm ovoj pri 8 W/cm2 (dvig za 25 stopinj) Pričakovana stopnja korozije v aktivnem režimu
1 – 2% >100 stopinj 100 stopinj 75 stopinj 0,3 – 0,7 mm/leto
2 – 3 % 95 – 100 stopinj 95 – 100 stopinj Do 70 – 75 stopinj 0,5 – 1,0 mm/leto
3 – 5 % 85 – 95 stopinj 85 – 95 stopinj Do 60 – 70 stopinj 0,8 – 1,5 mm/leto
5 – 7 % 75 – 85 stopinj 75 – 85 stopinj Do 50 – 60 stopinj 1,0 – 2,0 mm/leto
7 – 10 % 65 – 75 stopinj 65 – 75 stopinj Do 40 – 50 stopinj 1,5 – 3,0 mm/leto
10 – 15 % 55 – 65 stopinj 55 – 65 stopinj Do 30 – 40 stopinj 2,0 – 4,0 mm/leto
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/leto
Za sistem CIP s temperaturo v razsutem stanju 80 stopinj in 2 % NaOH, ki uporablja 1,6 mm ovoj pri 8 W/cm2, je površinska temperatura plašča okoli 105 stopinj, kar je višje od prehodnega praga 100 stopinj. Pojavila se bo aktivna korozija in plašč se lahko perforira v 1-2 letih. Z znižanjem gostote vatov na 4 W/cm² se dvig površinske temperature zmanjša na 12–15 stopinj, medtem ko temperatura plašča ostane pri 92–95 stopinjah, kar je pod pragom 100 stopinj. Ta sprememba omogoča 5-10 let življenjske dobe.

1,6-milimetrski varen delovni ovoj v kavstičnem CIP servisu
Naslednja tabela podaja največjo dovoljeno koncentracijo natrijevega hidroksida v razsutem stanju za 1,6 mm 316 ovoj pri različnih temperaturah v razsutem stanju in gostoti v vatih. Pri določenih koncentracijskih vrednostih se temperatura površine plašča vzdržuje vsaj 5 stopinj pod temperaturo prehoda iz-v-aktivno pasivno.

Masivna raztopina Temperatura Gostota 4 W/cm2 (povečanje za 12 stopinj) Gostota v vatih 6 W/cm2 (dvig za 18 stopinj) Gostota v vatih 8 W/cm2 (dvig za 25 stopinj) Gostota v vatih 10 W/cm2 (dvig za 32 stopinj) 60 stopinj Varno do 10 % NaOH Varno do 7 % NaOH Varno do 5 % NaOH Varno do 3 % NaOH 65 stopinj Varno do 8 % NaOH Procent varno do 5 NaOH Varno do 3 % NaOH Varno do 2 % NaOH 70 stopinj Varno do 6 % NaOH Varno do 4 % NaOH Varno do 2 % NaOH Ni varno nad 1 % 75oC Ni varno nad 5 % NaOH največ 3 %, varno NaOH Varno do 1,5 % NaOH Ni varno nad 1 % 80 stopinj Varno do 4 % NaOH varno do 2 % NaOH Ni varno nad 1,5 % Ni varno 85 stopinj Varno do 3 % NaOH Do 1,5 % NaOH varno Ni varno Ni varno
90 stopinj Varno do 2 % NaOH Ni varno nad 1 % Ni varno Ni varno
Za tipičen cikel CIP pri 80 stopinjah z 2 % NaOH je 1,6 mm ovoj iz 316 varen le pri gostoti v vatih 4 W/cm2 ali manj. Pri industrijski gostoti vatov 8 W/cm² bo grelec v aktivnem korozijskem režimu in je treba predvideti omejeno življenjsko dobo 1–3 let namesto pogosto domnevanih 5–10 let.

Spremembe zasnove pasivnega delovanja
Za ohranitev pasivnega delovanja brez spreminjanja materiala ovoja v pogojih postopka CIP, ki bi drugače prisilile 1,6 mm 316 ovoj v aktivno korozijo (npr. jedke koncentracije ali temperature), je mogoče izvesti tri konstrukcijske spremembe: Prva metoda je povečanje ogrevane dolžine elementa, da se zmanjša gostota vatov. Podvojitev dolžine (1 m na 2 m) zmanjša dvig temperature površine plašča s 25 stopinj na 12 stopinj in se vrne v pasivno delovanje, ko se gostota vatov zmanjša z 8 W/cm2 na 4 W/cm2 . Druga prilagoditev je izboljšanje kroženja po površini grelnika. Pri enaki gostoti vatov je mogoče dvig površinske temperature zmanjšati na 8–10 stopinj pri hitrosti 2–3 m/s z uporabo obtočne črpalke CIP. Končna sprememba je dodajanje inhibitorja korozije jedki raztopini. Silikati ali fosfati pri 100 do 200 ppm lahko stabilizirajo pasivni film na 316 in povečajo temperaturo prehoda za 10 do 20 stopinj. Vendar te spremembe verjetno ne bodo zadostovale za CIP sisteme, ki zahtevajo 5 % NaOH pri 80oC. V teh primerih bi moral inženir določiti uporabo zlitine na osnovi niklja, kot sta zlitina 600 ali zlitina 825, ki sta pasivni v jedkih raztopinah do 50-odstotne koncentracije pri temperaturah nad 100 stopinj. Stroški nadgradnje s 316 na zlitino 825 so običajno 2-3-krat višji, vendar se življenjska doba poveča z 1-2 let na 10-15 let. Ko določate grelnike za storitev CIP, vedno povejte dobavitelju: največjo koncentracijo kavstika, temperaturo v razsutem stanju in pričakovani čas cikla. Ko proizvajalec predlaga 316 za 5 % NaOH pri 85 °C brez upoštevanja pasivno-aktivnega prehoda ali znižanja gostote v vatih, to ni primeren tehnični nasvet. Prehod iz pasivne v aktivno korozijo pri natrijevem hidroksidu je nenaden in je odvisna od temperature. Plašč 316 debeline 1,6 mm, ki deluje tik pod pragom, lahko traja deset let; tisti, ki deluje tik za njim, lahko odpove v 18 mesecih. Za zanesljivo specifikacijo je potrebna natančna termična analiza temperature površine plašča.