Kakšna je kritična debelina plašča za grelnike iz nerjavečega jekla 316 v 15 % raztopini za jedkanje železovega klorida pri 55 stopinjah z delno potopitvijo

Osnovni kompromis-pri uporabi agresivnega oksidirajočega klorida

FeCl₃ (železov klorid) je ena najbolj jedkih spojin, ki se pogosto uporablja pri industrijskem jedkanju in čiščenju odpadne vode. Pri 15-odstotni koncentraciji in 55 °C ima ta raztopina tri agresivne dejavnike: visoko koncentracijo kloridnih ionov (približno 10 mas. %), oksidirajoči železov ion, ki ohranja visok elektrokemični potencial, in kisel pH (običajno 1,5-2,5). To okolje je precej zunaj standardnega delovnega območja nerjavečega jekla 316. Kritična jamičasta temperatura za 316 v železovem kloridu je pod 30 °C, zato je pri 55 °C jamičasta jamičasta reakcija gotova in hitra. Pri tej storitvi funkcija debeline plašča ni preprečiti korozijo, ampak zagotoviti zadostno rezervo kovine, da lahko preživi pričakovane luknjičaste in enakomerne napade v nastavljeni omejeni življenjski dobi. Kritična debelina je najmanjša debelina, ki jo je mogoče perforirati v zahtevanem času delovanja in nad katero ima dodatna kovina vse manjše donose, saj se stopnja korozije samopospešuje.

Pitting v raztopinah železovega klorida

Običajni preskus odpornosti nerjavnih jekel na luknjičaste poškodbe je ASTM G48 (ne G46). Preskus uporablja 6 % železov klorid pri 50 °C. Pod temi pogoji nerjaveče jeklo 316 na splošno pokaže luknjičaste luknje po 24-72 urah z globino jamic 0,2-0,5 mm. Agresivnost je veliko večja v 15 % železovem kloridu pri 55°C. Laboratorijske ugotovitve kažejo, da se na 316 kuponih iz nerjavečega jekla, izpostavljenih 15 % FeCl3 pri 55 stopinjah, v 4-8 urah pojavijo vidne luknjice, pri čemer globina jamic doseže 0,5-1,0 mm po 100 urah neprekinjene izpostavljenosti. Jamčenje je avtokatalitični proces, ko se jamica sproži, hidroliza železovega klorida v jamici ustvari zelo kislo okolje, bogato s kloridi, ki spodbuja poznejše raztapljanje. Stopnje rasti jamic v tem okolju so linearne ali rahlo pospešene, običajno 0,1–0,3 mm na dan neprekinjene izpostavljenosti. Za intermitentni grelnik, na primer 8 ur na dan, 5 dni na teden, je efektivna stopnja razvoja jame približno 0,03–0,10 mm vsak delovni dan. Predvidena največja globina jame za šestmesečno življenjsko dobo (približno. 500 obratovalnih ur) je 2-5 mm.

Delna potopitev in napad v parni fazi

Potreba po delnem potopu dodaja drugi, nevarnejši mehanizem odpovedi. Meja tekočin-pare je še posebej huda pri uporabi železovega klorida, saj izhlapevanje koncentrira sol na površini ovoja nad črto tekočine. Voda izhlapi in kristali železovega klorida se naberejo na vročem ovoju. Ti raztopljeni kristali posrkajo vlago iz ozračja in ustvarijo nasičeno slanico, ki je bolj jedka kot raztopina v razsutem stanju. Temperatura tekočine je običajno nižja od temperature dela ovoja, ki je izpostavljen hlapom, ker je zračno hlajenje manj učinkovito od hlajenja s tekočino. Pri grelniku s skupno dolžino potopitve 500 mm in 100 mm nad tekočino ima lahko izpostavljeni del 80-100°C, potopljeni del pa 55-60°C. Pri teh višjih temperaturah je lahko stopnja korozije v območju pare 5- do 10-krat večja kot v tekočini. Ponavljajoči se terenski pregledi delno potopljenih grelnikov v rezervoarjih železovega klorida so pokazali, da se okvara pojavi na meji tekočina-para in ne v popolnoma potopljenem območju. Tako je kritična debelina za to storitev nadzorovana s stopnjo napada na vmesniku in ne s tekočo korozijo.

Toplotne omejitve in meja debelih sten

Toplotna kazen debelih sten je problematična pri uporabi železovega klorida, kar ustvarja nevarno povratno zanko. Če je grelec delno potopljen, se izpostavljeni del ohladi z naravno konvekcijo v zrak. Koeficient toplotne prepustnosti zraka je le 10-30 W/m2·K, za tekočino pa 500-1000 W/m2·K. Del, ki je izpostavljen, gori pri veliko višji temperaturi kot del, ki je potopljen. Uporaba debelejše stene (2,5 mm namesto 1,5 mm) poveča temperaturo izpostavljenega dela za nadaljnjih 15-25°C, ker večja stena izolira notranjo uporovno žico. Stopnja korozije nerjavečega jekla 316 v slanici železovega klorida pri 120 °C je približno trikrat večja od stopnje korozije pri 100 °C. Debelejša stena, čeprav mišljena kot večja rezerva kovine, lahko dejansko zmanjša življenjsko dobo, saj poveča temperaturo površine in pospeši napad. Toplotno modeliranje nakazuje, da bo imel grelec z zunanjim premerom 12 mm, ki deluje pri 8 W/cm² v železovem kloridu pri 55 °C in je 100 mm izpostavljen zraku pri 25 °C, izpostavljeni del pri 95 °C za steno 1,2 mm, 110 °C za steno 1,8 mm in 125 °C za steno debeline 2,5 mm. Stopnja korozije pri 125 stopinjah je približno petkrat večja od stopnje korozije pri 95 stopinjah. Tako se efektivna življenjska doba ne povečuje sorazmerno z debelino.

Priporočila kritične debeline za kratkotrajno uporabo

Zaradi agresivnega okolja in samo{0}}narave napada se mora filozofija oblikovanja grelnikov na železov klorid spremeniti iz "dolge življenjske dobe" v "predvidljivo kratko življenjsko dobo z načrtovano zamenjavo." Najmanjša debelina 1,8-2,0 mm je potrebna za življenjsko dobo 6 mesecev pri 8 urah delovanja na dan. Debelina zagotavlja zadostno rezervo kovine, da se upre pričakovanemu 2-5 mm luknjanju na stiku med tekočino in paro. Tanjše stene 1,2-1,5 mm se običajno perforirajo v 2-4 mesecih. Debelejše stene niso priporočljive nad 2,5 mm, saj toplotna kazen dvigne temperaturo izpostavljenega odseka v temperaturno območje, kjer se korozija pospeši do te mere, da dodatna kovina ne daje čiste prednosti. 3-mesečna življenjska doba je dovolj z debelino 1,5-1,6 mm. 1.2debelina mm lahko zadostuje za enomesečno življenjsko dobo ali za postopke v posamezni seriji. V vseh okoliščinah je treba grelnik obravnavati kot potrošni material z nastavljenim urnikom zamenjave.

Alternativne strategije, ki premagajo debelejše zidove

Nerjaveče jeklo 316 katere koli praktične debeline ne bo zanesljivo zdržalo dolgoročne-uporabe v 15 % železovem kloridu pri 55 °C z delno potopitvijo. Pomembno inženirsko vprašanje ni, kakšno debelino uporabiti. To je, ali je 316 sploh mogoče uporabiti. Standardni material za ogrevanje z železovim kloridom je titan (razred 2). Titan proizvaja stabilno pasivno prevleko v železovem kloridu in se ne razjeda niti pri 80-90 °C. 1,0–1,2 mm titanov ovoj bo zdržal 10–20-krat dlje kot 2,5 mm 316 ovoj. Če titan ni na voljo, je mogoče doseči odlično odpornost z grelci, prevlečenimi s fluoropolimerom (PTFE ali PFA preko jedra 316), ki izolirajo kovino iz raztopine. Vendar, če je uporaba takšna, da je grelnik vedno popolnoma potopljen (brez vmesnika pare), potem lahko 316 pri debelini 2,0 mm zdrži 6 do 12 mesecev, vendar je prevleka ali titanova možnost še vedno boljša.

Zaključek: kritična debelina za določitev življenjske dobe

Bistvena debelina plašča za grelnike iz nerjavečega jekla 316 v 15-odstotnem železovem kloridu pri 55 stopinjah z delno potopitvijo je 1,8-2,0 mm za šest-mesečno življenjsko dobo pri delovanju s prekinitvami. Ta debelina je kompromis med potrebo po kovinski rezervi in ​​toplotnim pospeškom korozije, ki se zgodi pri debelejših stenah. Tanke stene predčasno odpovejo zaradi predrtja na stiku tekočina-plin. Debelejše pregrade ne dodajo življenja, ampak pospešijo napad in povečajo toploto izpostavljenega dela. Najpomembnejši nasvet je, da se izogibate 316 SS v tej storitvi, če obstaja kakšna alternativa. Če je potrebno, mora inženir zagotoviti predvideno življenjsko dobo v mesecih, dnevne ure delovanja in dolžino območja izpostavljene pare. Te informacije bodo določile, ali je 316 primeren ali so potrebni titanovi ali prevlečeni plašči. Specifikacija mora poleg tega vsebovati obvezni razpored pregledov ob polovici predvidene življenjske dobe za spremljanje globine jame in ugotavljanje, ali je potrebna predčasna zamenjava.