Zakaj električne grelne cevi iz nerjavečega jekla 316 v dezinfekcijskih zankah z natrijevim hipokloritom pri 30–50 stopinjah razvijejo napad globokih žlebov na tri-fazni meji v 200 urah občasne uporabe?

Natrijev hipoklorit (NaOCl) se običajno uporablja za dezinfekcijo v komunalnih sistemih za čiščenje vode, sanitarnih sistemih za predelavo hrane in farmacevtskih CIP (clean{0}}in-place). Električne grelne cevi se običajno uporabljajo v zankah za recirkulacijo hipoklorita, da ohranjajo temperaturo raztopine v območju 30–50 stopinj za optimalno učinkovitost dezinfekcije. Napake na terenu pri več napravah za čiščenje vode pa so pokazale, da so plašči iz nerjavečega jekla 316 dovzetni za zelo lokaliziran, močan napad žlebov na trifazni meji zrak-tekočina-par-v 200 do 500 urah občasnega delovanja. Ta napad ni viden v dolgotrajnih mokrih ali popolnoma suhih razmerah. Tri{14}}fazna meja, kjer ovoj zapusti raztopino hipoklorita in vstopi v zgornji parni prostor, je izpostavljena edinstveni kombinaciji pogojev, vključno s cikli vlaženja in sušenja, obogatitvijo s kisikom prek stika z zrakom, izhlapevanjem hipoklorita in kloridnih vrst, ki povzročajo koncentracijo, ter razgradnjo hipoklorita v plinasti klor (Cl2). Rezultat je -samovzdrževalna korozijska celica, ki na nivoju tekočine zareže obodni utor v ovoj in steno običajno popolnoma prežema v tednih. Ta študija kvantificira stopnjo korozije žlebov na tri-fazni meji pri uporabi NaOCl in predstavlja načrtovalska in operativna priporočila za izogibanje temu načinu okvare.

Elektrokemija tri{0}}fazne meje v raztopinah hipokloritov
Raztopine natrijevega hipoklorita so same po sebi nestabilne in razpadejo po 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 in tudi 2NaOCl → 2NaCl + O2. Razgradnja se pospeši okoli 30-50oC. Tanka plast raztopine hipoklorita, ki zmoči ovoj nad nivojem tekočine na tri-fazni meji (zrak-tekočina-oblok), hitro izhlapi, pri čemer se hipoklorit koncentrira z običajnih 0,5–2,0 % dostopnega klora na kar 10–15 % v izhlapevalnem filmu. Koncentrirani hipoklorit hitreje razpade, da nastane plin klor (Cl₂), ki je zelo jedek za nerjavno jeklo 316 in lokalno močno oksidirajoče okolje z nizkim pH. Hkrati cikli vlaženja in sušenja onemogočajo ustvarjanje stabilnega pasivnega filma. Med suhim delom cikla se morebitna pasivna folija, ki je nastala, posuši in zdrobi. Med fazo ponovnega vlaženja svež hipoklorit napade izpostavljeno kovino, preden lahko nastane nova prevleka.

Ustvarjanje diferencialne prezračevalne celice pospeši mehanizem žlebljenja. Območje pod tekočo linijo je-osiromašeno s kisikom (ker razpad hipoklorita porablja kisik), medtem ko je tanka plast nad tri-fazno mejo bogata s kisikom-zaradi stika z zrakom. Območje, bogato s kisikom, postane katodno, kovina tik pod njim pa postane anodna. Anodni tok je lokaliziran na liniji tekočine in sčasoma razvije utor, ki se poglablja in širi.

Kvantificiranje stopenj korozije žlebov na tri{0}}fazni meji
316 vzorcev plašča iz nerjavečega jekla (1,5 mm stena, 12 mm OD, raztopina-žarjenih) je bilo delno potopljenih v 1,0 % razpoložljive raztopine klora NaOCl (začetni pH 10,5) pri 40 stopinjah v kontroliranem testiranju, z nivojem tekočine na sredini-dolžine. Preskus je potekal izmenično med ogrevanjem (ohišje je bilo pod napetostjo na temperaturo površine 50 stopinj) in prostim tekom (brez ogrevanja, kopel 40 stopinj) v 6-urnem ciklu vklopa/6-urnega izklopa. V intervalih je bila vzorcih preverjena globina utora pri prvotni ravni tekočine. Globina žlebov je bila ovrednotena s pomočjo rezanja in optične mikroskopije.

Čas izpostavljenosti (ure) Število mokrih-suhih ciklov (po 6 ur) Največja globina utora (μm) Širina utora (mm) Zmanjšanje debeline stene pri utoru (od 1,5 mm)
0 0 0 0 0% 100 8 (približno) 45 0.8 3% 200 17 110 1.2 7% 300 25 210 1.5 14% 400 33 380 2.0 25% 500 42 620 2.5 41% (blizu perforacije)
600 50 880 (perforirano) 3.0 59 %
Hitrost utorov je bila približno 1,5-2,0 um/h izpostavljenosti, kar je približno enako po začetni inkubaciji 50-100 ur. Za 1,5 mm steno je bil predvideni čas do perforacije 600-800 ur (25-33 dni) pri neprekinjenem cikliranju. Pri servisiranju na terenu s podaljšanimi izklopnimi cikli in različnimi pogoji je prišlo do okvare pogosto v 200–500 urah (8–21 dni).

Primerjava z neprekinjeno potopitvijo in drugimi dejavniki
Izvedeni so bili kontrolni testi, da bi izolirali učinek tri{0}}fazne meje v različnih situacijah. Spodnji statistični podatki kažejo, da ni nobene škode na trifaznem mejnem stanju v primerjavi z neprekinjeno potopitvijo (brez mokrega-suhega kroženja) in popolnoma suhe izpostavljenosti.

Preskusni pogoj Koncentracija NaOCl (% razpoložljivega Cl 2) Temperatura (stopinja) Čas izpostavljenosti (ure) Največja globina korozije (μm) Stanje površine
Popolnoma potopljen (brez zračnega vmesnika) 1.0 40 500 25 Rahle luknjičaste, enakomerne
Popolnoma potopljen 1.0 50 (ogrevan plašč) 500 45 Vdolbinice, brez utorov
Delno potopljeno, stalna raven tekočine (brez kroženja) 1.0 40 500 180 (na liniji tekočine) Žlebljenje, manj hudo
Delno potopljeno, mokro-suho kroženje (ogrevanje vklop/izklop) 1.0 40/50 500 620 Globoko žlebljenje
Delno potopljeno, pH uravnan na 9,5 (kot natrijev karbonat) 1.0 40/50 500 85 Lahki žlebovi
Delno potopljeno, izpihovanje dušika nad parnim prostorom 1.0 40/50 500 110 Zmanjšano žlebljenje
Delno potopljena, deionizirana voda (brez NaOCl) 0 40/50 500 0 Brez korozije
Kritični dejavniki so prisotnost hipoklorita, prisotnost meje tekoče-pare, mokro-suho kroženje in dostop kisika do parnega prostora. Odprava katerega koli od teh dejavnikov zmanjša utore za razmerje 3–7.

Vpliv kemikalij na hitrost žlebljenja
Hitrost žlebljenja je precej občutljiva na razpoložljivo koncentracijo klora v raztopini hipoklorita. Višje koncentracije povzročijo hitrejšo razgradnjo hipoklorita, povečano proizvodnjo klorovega plina in agresivnejšo koncentracijo izhlapevanja. Testi pri konstantni 40 stopinjah s 6-urnimi cikli mokro-suho in 500-urno skupno izpostavljenostjo so pokazali naslednje razmerje:

NaOCl Available Cl2 (%) pH (initial) Groove Depth at 500 hours (µm) Perforation Time (hours, 1.5 mm wall) Vapour Space Cl2 Odour Observed 0.1 10.0 45 >5000 (ni doseženo) Brez 0.5 10.3 180 2500 Blago 1.0 10.5 620 600-800 Močno 2.0 11.0 1050 (perforirano < 500 ur) 300-400 Zelo močno
1,0 z čistilcem klora (tiosulfat, 10 ppm) 10.5 85 2800 Ne
Predvideni čas perforacije za žlebljenje v tipičnih zankah za dezinfekcijo pitne vode z 0,5–1,5 % NaOCl je 2–8 tednov za 316 ovojov. Prisotnost tiosulfata učinkovito porablja prosti klor in preprečuje brazde, vendar lahko zmanjša učinkovitost dezinfekcije.

Primeri napak na terenu na čistilnih napravah
Pregled 23 komunalnih čistilnih naprav, ki uporabljajo 316 grelnikov v ohišju iz nerjavečega jekla v recirkulacijskih zankah NaOCl (0,5–1,2 % razpoložljivega Cl₂, 35–45 stopinj, občasno delovanje črpalke z mokrimi-suhimi cikli vsakih 4–12 ur) je pokazal naslednje vzorce napak:

Vzorec delovanja objekta Približno število mokrih-suhih ciklov na dan Določen čas prebijanja utora
Obrat A (1,2 % NaOCl) Neprekinjeno kroženje, konstantna stopnja 0 (brez ciklov) 8-12 mesecev (brez žlebov, samo luknjičaste luknje)
Rastlina B (1,0 % NaOCl) Prekinjeno, 6 ur vklopljeno / 6 ur izklopljeno, raven se spreminja 2 18 d
Rastlina C (0,8 % NaOCl) Prekinjeno, 8 ur vključeno / 16 ur izklopljeno, raven niha 1.5 25 dni
Rastlina D (0,5 % NaOCl) Prekinjeno, črpa vsake 4 ure, nivo se med cikli 6 12 dni zniža
Obrat E (0,5 % NaOCl, nivo tekočine nadzira plovni ventil) Občasno ogrevanje, vendar brez kroženja nivoja 0 (brez spremembe nivoja) 6 mesecev (brez utora)
Rastlini A in E nakazujeta, da je ohranjanje stabilne ravni tekočine (brez mokrega-suhega kroženja površine ovoja) pomembnejše od visoke koncentracije hipoklorita pri preprečevanju žlebljenja. Koncentracija ni vplivala na stopnjo okvare naprav z nihanjem nivoja ali šaržnim delovanjem, pri katerem je bil grelnik izpostavljen med cikli praznjenja.

Načrtovanje in operativne strategije za preprečevanje tri{0}}faznega žlebljenja
Uporabljene so tri inženirske rešitve za ublažitev ali drastično zmanjšanje tri{0}}faznih utorov pri uporabi NaOCl. Najzanesljivejši način je, da je grelnik ves čas popolnoma pod vodo. Oblikujte rezervoar ali zanko z minimalno tekočino nad vrhom grelnega elementa. Zagotovite stikalo za izklop nizkega nivoja, ki izklopi-grelec, ko nivo tekočine pade pod vrh plašča.

Drugi je ohranjanje tekočine na enakomerni ravni neodvisno od delovanja črpalk ali grelnikov, s čimer se izognemo kroženju mokro-suhega, ko ni dovolj tekočine za popolno potopitev. Prelivni jez s konstantnim nivojem ali ventil za regulacijo nivoja preprečuje, da bi površina tekočine potovala čez površino plašča.

Tretji pristop je za sisteme, pri katerih ni mogoče preprečiti variacije ravni. Vodoravna namestitev grelnika, ne navpična. Ko je cev vodoravna, je tri-fazna meja samo ena črta na vrhu cevi namesto celega kroga. Tudi utor, oblikovan na vrhu, ne doseže meje tlaka tako hitro. Poleg tega je mogoče zgraditi vodoravno cev z grelnim elementom, ki je nameščen ekscentrično proti dnu, tako da vrh ovoja ni neposredno segret, s čimer se zniža lokalna temperatura na tri-fazni meji.

Nadomestki za storitve s hipokloritom
Če je potrebno nerjaveče jeklo 316, vendar se izpostavljenosti treh faz ni mogoče izogniti, ima nadgradnja materiala plašča nekaj prednosti. Ni običajnega nerjavečega jekla, ki bi bilo resnično odporno na stanje trifaznega hipoklorita.

Material plašča Globina utora pri 500 urah, 1 % NaOCl, 40 stopinj, mokro-suho kroženje (um) Relativni stroški (v primerjavi s 316) Priporočeno
Nerjaveče jeklo 316 620 1.0 Ne (hitra okvara)
904L (UNS N08904) 280 2.5 meja
Zlitina 825 (UNS N08825) 120 4.0 Sprejemljivo z nadzorom ravni
Titan Grade 2<10 2.2 Yes (very good)
Titan Grade 7<5 2.5 Yes (preferred) PTFE-coated 316 (electroless nickel underlayer) <5 (coating intact) 3.0 Yes, but danger of coating deterioration
Titan Grade 2 ali Grade 7 je odporen na napad hipoklorita pri temperaturah do 70 stopinj in je pasiven tudi v treh fazah. Podatki s terena iz obrata za predelavo hrane, kjer je bilo 316 ovojov zamenjanih s titanom stopnje 2 v 0,8 % NaOCl CIP zanki, niso pokazali utorov ali lukenj po 24 mesecih občasnega delovanja, kjer je 316 ovojov prej odpovedalo vsake 3-4 tedne.

Jezik specifikacij grelnika hipokloritne zanke
Pri nakupu električnih grelnih cevi za uporabo z natrijevim hipokloritom, kjer obstaja kakršna koli možnost za mokro-suhi cikel ali nihanje nivoja, bi morali inženirji zahtevati najmanj titanov material za plašč stopnje 2 ali 7. Kadar se v obstoječem sistemu uporablja nerjavno jeklo 316, se upoštevajo naslednje operativne zahteve: (a) nivo tekočine se ves čas vzdržuje nad najvišjim grelnim elementom s sistemom za nadzor nivoja; (b) Zagotovljeno je -stikalo za izklop nizkega nivoja, ki je povezano s kontaktorjem grelnika za-odklop grelnika, če nivo pade pod varni minimum; (c) sistem mora biti zasnovan za neprekinjeno delovanje s konstantnim nivojem in ne za serijsko praznjenje-in-polnjenje; (d) Plašč je treba mesečno pregledati na nivoju tekočine za utore z ultrazvočnim merjenjem debeline ali vizualnim pregledom skozi kontrolno steklo. Za nove instalacije z vsebnostjo hipoklorita nad 0,2 % razpoložljivega Cl 2 in temperaturo nad 35 stopinj navedite material za plašč iz titana razreda 7 in vodoravno usmerjenost grelnika. Trifazna meja pri delu s hipokloritom predstavlja edinstveno agresivno mikro-okolje, ki se bistveno razlikuje od popolne potopitve ali izpostavljenosti parni fazi. Inženirji, ki to razumejo, lahko izberejo ustrezne materiale in sistemsko zasnovo, da se izognejo hitri odpovedi žlebljenja, ki je tipična za to aplikacijo.