מהו עובי הקיר המרבי המותר 316 נירוסטה עבור מחמם טבילה חשמלי בשירות חומצה חנקתית מעל 20 אחוז ריכוז ב-80 מעלות צלזיוס?
השאר הודעה
מהנדסי תהליכים כימיים הבוחרים מפלדת אל חלד 316 כחומר המעטפת עבור מחממי טבילה חשמליים בשירות חומצה חנקתית עבור קווי כבישת מתכת, ייצור כימי ומערכות עיכול במעבדה, צריכים להיות מודעים הן לעמידות בפני קורוזיה והן לביצועים התרמיים. חומצה חנקתית ייחודית בין חומצות מינרליות בכך שהיא מחמצנת. זה עוזר לפתח שכבה פסיבית על נירוסטה. אבל 316 עדיין יכול לסבול מקורוזיה מהירה בריכוזים העולה על 20% ובטמפרטורות מעל 60 מעלות, במיוחד אם החומצה מזוהמת עם כלורידים או אם טמפרטורת פני המעטפת גבוהה מדי. עובי הדופן של מעטפת 316 משפיע על קצבת הקורוזיה למשך חיי השירות של המחמם ועל טמפרטורת פני השטח בצפיפות וואט מסוימת. למעשה, קירות עבים יותר מגבירים את טמפרטורת פני השטח מה שעלול להוביל לקורוזיה מהירה יותר. בהתבסס על דיאגרמות איזוקורוזיה שפורסמו ונתוני שדה, מאמר זה מציג את עובי הדופן המרבי המותר עבור 316 מעטפות בשירות חומצה חנקתית.
עמידות בפני קורוזיה של נירוסטה 316 לחומצה חנקתית
316 stainless steel is protected in high-concentration nitric acid by a passive chromium oxide coating. The corrosion rate is usually < 0.1 mm per year at normal temperature. The corrosion rate increases with temperature but the relation is not monotonic. At nitric acid concentrations of 20 to 40% and temperatures over 70°C, 316 is in the transpassive region where the protective coating breaks down locally, resulting in pitting and intergranular assault. At concentrations >60%, החומצה הופכת לחמצון חזק והסרט הפסיבי מתחדש שוב ומפחית את שיעורי הקורוזיה. האזור האגרסיבי ביותר עבור 316 בחומצה חנקתית הוא בסביבות 30-50% ריכוז ב-80-100 מעלות, כאשר שיעורי הקורוזיה עשויים להגיע עד 0.5-1.0 מ"מ בשנה. שטף החום למחמם טבילה מוביל לכך שטמפרטורת פני המעטפת היא בדרך כלל 20-50 מעלות צלזיוס מעל לטמפרטורת החומצה הגדולה. למחמם בחומצה בתפזורת של 80 מעלות ב-8 W/cm² יהיה טמפרטורת פני המעטפת של 105-115 מעלות, שהיא בטווח הגבוה של קצב קורוזיה. עם זאת, הקשר ההדדי בין עובי הדופן, צפיפות הוואט וטמפרטורת פני השטח פירושו שמעטפת עבה יותר, המגדילה את טמפרטורת פני השטח עבור צפיפות וואט נתונה, עשויה למעשה לקצר את חיי השירות, אם כי מספקת יותר חומר מוצא.
קצב קורוזיה וחיי שירות אפקט עובי קיר
עם הגדלת עובי דופן המעטפת של 316, ההתנגדות התרמית הנוספת עולה באופן ליניארי עם טמפרטורת פני השטח החיצוניים עבור צפיפות וואט מסוימת וטמפרטורת חומצה בתפזורת. קצב הקורוזיה ב-40% חומצה חנקתית וטמפרטורת כמות גדולה של 80 מעלות הוא כ-0.3 מ"מ לשנה, טמפרטורת פני המעטפת היא 95 מעלות. ב-110 מעלות קצב הקורוזיה עולה לסביבות 0.7 מ"מ בשנה. ב-125 מעלות הקצב מתקרב ל-1.2 מ"מ לשנה. עכשיו שקול תנור חימום עם 6 W/cm$^2$ ועובי דופן של 1.0 מ"מ. טמפרטורת פני השטח היא כ-100 מעלות מה שנותן קצב קורוזיה של 0.4 מ"מ בשנה. קצבת הקורוזיה של 0.4 מ"מ לעומת עובי 1.0 מ"מ מאפשרת 0.6 מ"מ לשלמות מבנית המעניקה חיי שירות בטוחים של כ-2.5 שנים. לאותו דוד בעל עובי דופן של 2.0 מ"מ באותה צפיפות וואט יש טמפרטורת פני השטח של בערך 118 מעלות ומכאן קצב קורוזיה של 0.9 מ"מ בשנה. עם קצבת קורוזיה של 0.9 מ"מ על 2.0 מ"מ, זה משאיר 1.1 מ"מ, מה שנותן חיי שירות של כ-2.4 שנים - כמעט זהים אבל עם עובי דופן כפול מעובי הקיר המקורי. הקיר העבה יותר אינו מאריך חיים כיוון שהוא נשחק מהר יותר. מסקנה פרדוקסלית זו מציעה שלפעולת חומצה חנקתית קיים עובי דופן אידיאלי המאזן בין חומר התחלתי מול האצת קורוזיה. חישובים המבוססים על נתוני קורוזיה שפורסמו מצביעים על עובי דופן נדן אידיאלי של 316 של כ-1.2-1.4 מ"מ עבור 40% חומצה חנקתית ב-80 מעלות עם צפיפות וואט של 6-8 W/cm² כדי לספק את חיי השירות הגדולים ביותר.
עובי דופן מרבי מומלץ עבור שירות חומצה חנקתית
הטבלה הבאה נותנת עובי דופן נדן מרבי מומלץ עבור מחממי טבילה חשמליים בשירות חומצה חנקתית. הערכים הם עבור פעולה רציפה, חומצה נקייה ללא זיהום כלוריד, וחיי שירות מינימלי של שנתיים. לדרישות חיי שירות ארוכים יותר, מועיל יותר להפחית את צפיפות הוואט מאשר להגדיל את עובי הדופן.
ריכוז חומצה חנקתית טמפרטורת חומצה בכמות מומלצת טווח צפיפות וואט מרבי מומלץ 316 עובי דופן מעטפת קצב קורוזיה צפוי בעובי מרבי חיי שירות משוער בעובי מרבי 10 – 20% עד 90 מעלות 8 – 12 W/cm² 2.5 מ"מ/שנים 051 מ"מ 051 מ"מ שנים 05.0 מ"מ שנים. – 30% 60 – 80 מעלות 6 – 10 W/cm² 1.6 מ"מ 0.30 – 0.50 מ"מ/שנה 3 – 5 שנים 20 – 30% 80 – 95 מעלות 4 – 7 W/cm² 1.2 מ"מ 0.50 – 0.80 מ"מ/שנה 0 – 605 שנים 0 – 605 שנים 0 – 605 שנים 6 W/cm² 1.2 מ"מ 0.60 – 1.00 מ"מ/שנה 1.5 – 2.5 שנים 30 – 50% 80 – 95 מעלות 2 – 4 W/cm² 1.0 מ"מ 0.80 – 1.20 מ"מ/שנה 1 – 2 שנים 50 – 70% W/0 מ"מ 210 מעלות עד 6 מ"מ 210 מעלות 0.10 – 0.20 מ"מ/שנה 5 – 10 שנים 50 – 70% 80 – 100 מעלות 4 – 7 W/cm² 1.6 מ"מ 0.20 – 0.35 מ"מ/שנה 4 – 6 שנים
מעל 70% עד 100 מעלות 8 - 12 W/cm² 2.5 מ"מ מתחת ל-0.10 מ"מ/שנה מעל 10 שנים
נירוסטה 316 היא שולית עבור חומצה חנקתית בטווח ריכוז של 30-50% בטמפרטורות מעל 80 מעלות צלזיוס, ללא קשר לעובי הדופן. מהנדסים בתנאים אלה צריכים לשקול שדרוג לפלדת אל חלד גבוהה סיליקון כגון Durimet 20 או סגסוגת טיטניום. לטיטניום עמידות גבוהה בפני קורוזיה בחומצה חנקתית בכל הריכוזים והטמפרטורות עם שיעורי קורוזיה מתחת ל-0.05 מ"מ לשנה אפילו בטמפרטורת רתיחה. העלות הראשונית הגבוהה יותר של טיטניום מתקזזת על ידי חיי השירות הארוכים יותר שלו וביטול האפשרות של כשל קטסטרופלי מקורוזיה מקומית.
שינויי עיצוב לחיי שירות ארוכים מבלי להגדיל את עובי הקיר
שלושה שינויי עיצוב יכולים להגדיל את חיי השירות בסביבת חומצה חנקתית קשה שבה יש צורך בשימוש במעטפת 316 ועובי הדופן מוגבל על ידי אילוצים תרמיים או ייצור. הראשון והיעיל ביותר הוא למזער את צפיפות הוואטים. הורדת צפיפות הוואט מ-6 W/cm² ל-3 W/cm² גורמת לירידת טמפרטורת פני המעטפת של כ-15-20 מעלות, וזה מספיק כדי להפחית את קצב הקורוזיה ב-40-60% באזור הטרנספאסיבי. הפשרה היא יותר אורך או קוטר המחמם. השינוי השני הוא פאסיבית משטח הנדן עם חומצה חנקתית חזקה לפני ההתקנה. טבילה של 30 דקות בחומצה חנקתית של 30% ב-60 מעלות צלזיוס מפחיתה את קצב הקורוזיה הראשוני ב-20-30%, מעבה את הציפוי הפסיבי ומסירה זיהום ברזל פני השטח. השינוי השלישי הוא השליטה בכימיה החומצית. יש לשמור על ריכוז יוני החנקה מעל 0.5% ואפילו זיהום עקבות כלוריד -מתחת ל-50 ppm-יש להימנע כדי למנוע את המעבר לקורוזיה פעילה. אם לא ניתן לשלוט בכלורידים, ללא קשר לעובי הדופן, 316 אינו מתאים. עבור יישומי חומצה חנקתית חשובים, מהנדסים צריכים לדרוש בדיקות קופון קורוזיה עם דגימות של חומר המעטפת בפועל בחומצת התהליך בפועל בטמפרטורת פני השטח הצפויה. נתונים סטטיסטיים של קורוזיה שפורסמו יכולים להוות מדריך אך טוהר החומצה בפועל ובקרת הטמפרטורה יכולים להשתנות מאוד. עלות בדיקת הקופונים קטנה בהשוואה לעלות של תקלה בלתי צפויה בחימום המזהם אצווה של מוצר או משבית קו ייצור. בעת הזמנת תנורי חימום לפעולת חומצה חנקתית, ציין תמיד את עובי הדופן הצפוי וצפיפות הוואט ובקש את טמפרטורת פני השטח החזויה של היצרן ושיעור הקורוזיה המשוער הקשור. אם הספק אינו יכול לספק את החישובים, אזי אין למסור לו את הבקשה.
