Pri kateri specifični koncentraciji klorovodikove kisline pri 50 stopinjah Celzija se v 1,2-milimetrskem plašču iz nerjavečega jekla 316 v 500 urah neprekinjenega potopnega segrevanja pojavi luknjičasta penetracija?

Nerjaveče jeklo 316 na splošno velja za obrobni material za električne potopne grelnike, ki jih določijo inženirji kemijskih procesov za uporabo v klorovodikovi kislini pri sistemih za dekapiranje kovin, korekcijo pH in regeneracijo. Klorovodikova kislina je zelo agresivna redukcijska kislina. Kloridni ioni ciljajo na pasivno plast na nerjavnem jeklu. Za razliko od žveplove ali dušikove kisline ni koncentracijskega območja, kjer bi imela res dobro odpornost na 316. Pri blagih temperaturah v zelo razredčenih raztopinah pa lahko 316 zagotovi sprejemljivo življenjsko dobo za ne-kritične aplikacije. Čas, ki je potreben, da se luknjičasta luknjica razširi z zunanje površine na notranjo steno, je odvisen od debeline stene plašča. Ta članek poroča o meritvi specifične koncentracije klorovodikove kisline pri 50 stopinjah, ki povzroči luknjičasto penetracijo 1,2 mm ovoja 316 v 500 urah neprekinjenega delovanja pri povprečni industrijski gostoti v vatih.

"Jamičasta korozija nerjavečega jekla 316 v razredčeni HCl.
Korozija 316 v klorovodikovi kislini se pojavi kot luknjičasto, ne enakomerno redčenje. Če nastane jamica na površinski napaki, vključku ali šibkosti v pasivnem filmu, se bo zaradi avtokatalitične narave napada klorida hitro širila. Kritični potencial luknjanja 316 v kloridnih raztopinah se zmanjšuje z naraščajočo temperaturo in koncentracijo klorida. Mejna koncentracija klorida za začetek pit je približno 50-100 ppm (0,005-0,01 % HCl) pri 50 stopinjah. Pod tem pragom so luknjičaste luknje redke in tipične stopnje korozije so manjše od 0,05 mm/leto. Nad tem pragom je verjetna luknjičasta luknjastost in hitrost širjenja luknjičastih lukenj se hitro poveča z vsebnostjo klorida. Čas do penetracije za 1,2 mm stenski ovoj je nadzorovan s hitrostjo širjenja jamice po začetku. Hitrosti širjenja pri 50 stopinjah segajo od 0,01 mm/uro v 0,1 % HCl do 0,10 mm/uro v 1 % HCl. Hitrost širjenja je ~0,03–0,05 mm/uro za 0,5 % HCl, kar pomeni, da bi 1,2 mm debelo steno predrli 24–40 ur po začetku luknje. Odvisno od kakovosti površine in preostalih obremenitev je celotna življenjska doba 120-540 ur, vključno z indukcijskim časom 100-500 ur za zagon v jami.

Kritična koncentracija za 500-urno življenje
Naslednje življenjske dobe so predvidene na podlagi potopnega testiranja zvitih vzorcev plašča 316 pri 50 stopinjah in poliranju površine, značilnem za komercialne grelnike. Pri 0,05 % HCl (500 ppm klorida) je začetek luknjanja približno 800–1200 ur, širjenje pa je počasno pri 0,005 mm na uro. 1.2 mm ovoj bi skupaj trajal 1000–1500 ur. Pri 0,10 % HCl se čas iniciacije skrajša na 400–600 h s širjenjem pri 0,010–0,015 mm/h, za skupni čas 500–800 h. Pri 0,15 % HCl se začne v 200-300 urah Širjenje 0,020-0,025 mm na uro Skupna življenjska doba 300-500 ur. Začetek 100-200 h pri 0,20 % HCl Širjenje 0,030-0,040 mm/h Celotna življenjska doba 150-300 h Bistvena koncentracija HCl za 500-urno življenjsko dobo je približno 0,12 do 0,14 %. Pri tej koncentraciji ali pod njo obstaja velika verjetnost, da bo 1,2 mm ovoj iz 316 preživel 500 ur neprekinjenega delovanja. Nad to koncentracijo je pričakovana življenjska doba pod 500 ur. Te vrednosti veljajo za vatno gostoto 5–8 W/cm², ki poveča temperaturo površine plašča na približno 55–60 stopinj. Pri večji gostoti vatov višja površinska temperatura še bolj zmanjša kritično koncentracijo.

Servisna koncentracija klorovodikove kisline in matrika debeline stene
Spodnja tabela podaja priporočene debeline stene plašča 316 za klorovodikovo kislino pri 50 stopinjah za predvideno življenjsko dobo. Vrednosti predvidevajo vatno gostoto od 5 do 8 W/cm2 in normalno obdelano površino

Koncentracija HCl Koncentracija klorida (ppm) Predvidena hitrost rasti jamice pri 50 stopinjah Najmanjša debelina stene 316 za 500-urno življenjsko dobo Najmanjša debelina stene za 1000-urno življenjsko dobo Priporočilo
Pod 0,05 %< 500 ppmBelow 0.005 mm/hour 0.8 mm 1.0 mm 316 acceptable for intermittent service 
0,05 – 0,10 % 500 – 1.000 ppm 0,005 – 0,015 mm/uro 1,0 mm 1,6 mm 316 obrobno; Pričakujte kratko življenje
0,10 – 0,15 % 1.000 – 1.500 ppm 0,015 – 0,025 mm/uro 1,2 mm 2,0 mm 316 ni priporočljivo za neprekinjeno uporabo
0,15 – 0,20 % 1.500 – 2.000 ppm 0,025 – 0,040 mm/uro 1,6 mm 2,5 mm Titan ali tantal
0,20 – 0,50 % 2.000 – 5.000 ppm 0,040 – 0,100 mm/h Ni praktično Ne zmorem Potreben je titan
Več kot 0,50 % Več kot 5000 ppm Več kot 0,100 mm/uro Ni sprejemljivo Ni združljivo Uporabite ne-kovinsko gretje
Če je koncentracija klorovodikove kisline nad 0,15 % pri 50 stopinjah, nerjavno jeklo 316 ni dober material za uporabo ne glede na debelino stene. Zaskrbljujoča sta hitrost hitrosti širjenja jamice in veliko tveganje nenadne perforacije brez obvestila. Titan (razred 2 ali 7) ima dobro odpornost na razredčeno klorovodikovo kislino do koncentracije 1 % pri 50 stopinjah C, s stopnjo korozije < 0,01 mm na leto. Za višje koncentracije ali temperature potrebujete tantal. Pri izbiri grelnikov za klorovodikovo kislino, kjer se upošteva 316, morajo inženirji določiti preskus korozijskega kupona z uporabo dejanske procesne kisline in vzorca materiala plašča pri pričakovani površinski temperaturi. Objavljeni podatki podajajo ocene, vendar na obnašanje luknjičaste kisline močno vplivata dejanska čistost kisline in nadzor temperature. Stroški okvare enega grelnika v klorovodikovi kislini – vključno s kontaminacijo procesne raztopine s kovinskimi ioni – so pogosto večji od stroškov nadgradnje na titan. Preudarni inženirski nasvet pri 50 stopinjah in nad 0,1 % je, da se v celoti izognete 316.