Pie kāda kritiskā sērskābes koncentrācijas un temperatūras sliekšņa 1,6 milimetru 316 nerūsējošā tērauda apvalks kļūst nedrošs nepārtrauktai iegremdēšanas karsēšanai virs 15 vatiem uz kvadrātcentimetru?

Ķīmisko procesu inženieriem, kas projektē elektriskos iegremdējamos sildītājus sērskābes izmantošanai metāla kodināšanas līnijās, akumulatoru ražošanā un ķīmiskās sintēzes reaktoros, ir jāzina koncentrācijas -temperatūras robežas, pie kurām precīzi notiek pasīvās plēves sadalīšanās, ja viņi vēlas izvēlēties 316 nerūsējošo tēraudu kā apvalka materiālu. No minerālskābēm tikai sērskābe ir maksimāli kodīga pret 316 nerūsējošo tēraudu vidējā koncentrācijā (40–60%) un samazinās pie zemākas un augstākās koncentrācijas. Tipisks 1,6 mm sienu biezuma standarts nodrošina kompromisu starp praktisko siltuma pārnesi un mehānisko izturību. Taču darbība, kas pārsniedz koncentrāciju, temperatūru un vatu blīvumu, var izraisīt strauju aktīvu koroziju, samazinot apvalka kalpošanas laiku no gadiem līdz nedēļām. Šajā rakstā ir norādītas precīzas robežas 1,6 mm 316 apvalkam, kas nav drošs nepārtrauktai iegremdēšanas karsēšanai, ja jaudas blīvums pārsniedz 15 W/cm{13}}

Pārmaiņa no pasivitātes uz aktivitāti 316. gadā, kas pakļauta sērskābes iedarbībai
316 nerūsējošā tērauda izturība pret koroziju sērskābē ir atkarīga no pasīvā hroma oksīda pārklājuma stabilitātes. Pasīvā plēve ir stabila atšķaidītā sērskābē koncentrācijās zem 15% līdz 60 grādiem, un korozijas ātrums ir mazāks par 0,1 mm gadā. Palielinoties koncentrācijai līdz 40-60%, pasīvajā plēvē dominē skābes samazināšanās tendence, un notiek pāreja uz aktīvo koroziju ar ātrumu 5-20 mm gadā. Koncentrācijā virs 70%, sērskābe atkal oksidējas, repasivējot 316 virsmu un samazinot korozijas ātrumu līdz 0,5 mm/gadā. Iegremdējamā sildītāja siltuma plūsmas dēļ apvalka virsmas temperatūra parasti ir par 20–50 grādiem virs skābes temperatūras. 15 W/cm^2 sildītāja apvalka virsmas temperatūra 50 grādu skābē var būt 80–90 grādi. Tas rada augstāku virsmas temperatūru un pasīvās uz aktīvo pāreju uz zemāku koncentrāciju. 30% skābes koncentrācija, kas ir droša pie 50 ° C, var būt agresīva uz apvalka virsmas, ja vietējā temperatūra pārsniedz 70 ° C. Tādējādi drošu darba logu 1,6 mm 316 apvalkam nosaka augstākā virsmas temperatūra, nevis masas skābes temperatūra.

Kritiskie sliekšņi 1,6 milimetru sienai pie 15 vati uz kvadrātcentimetru
Eksperimentālā korozijas pārbaude 316 paraugiem ar virsmas pulēšanas līdzekli, kas raksturīgs sildītāja apvalkiem (0,5 līdz 0,8 mikroni Ra), iegūst šādus būtiskos sliekšņus aktīvai korozijas sākumam. Sērskābes kritiskā koncentrācija pasīvās plēves sadalīšanai ir aptuveni 55% virsmas temperatūrā 60 grādi. Kritiskā koncentrācija tiek samazināta līdz 48% 70 grādu virsmas temperatūrā. Pie 80 grādiem slieksnis samazinās līdz 42%. Pie 90 grādiem tas ir 38%. Pie 100 grādiem tas samazinās līdz 32%. 1,6 mm sienas apvalkam pie 15 W/cm 2 temperatūras paaugstināšanās no masīvas skābes līdz apvalka virsmai ir aptuveni 25–30 grādi dabiskās cirkulācijas skābē. Skābe ir 50 grādos un apvalka virsma 75-80 grādos. Tāpēc kritiskā koncentrācija ir aptuveni 40%. Ja skābes koncentrācija šajā temperatūrā pārsniedz 40%, dažu dienu laikā sāksies aktīva korozija. Kad ir sākusies aktīva korozija, korozijas ātrums parasti ir 5-15 mm/gadā, tāpēc 1,6 mm apvalks caurdursies 1-4 mēnešu laikā. Zem kritiskās koncentrācijas pie tādas pašas virsmas temperatūras korozijas ātrums ir zem 0,2 mm/gadā, ļaujot kalpot 5-8 gadus. Tā ir pēkšņa pāreja, nevis pakāpeniska. 2-3% koncentrācijas vai 5 grādu temperatūras izmaiņas var nozīmēt atšķirību starp darbības gadiem un katastrofālu atteici dažu nedēļu laikā.

1,6 mm 316 apvalks sērskābē - Drošas darbības aploksne
Šajā tabulā ir aprakstīts drošas darbības diapazons 1,6 mm 316 nerūsējošā tērauda apvalkam ar vatu blīvumu 15 W/cm2 .. Vērtības ir skābes koncentrācijas un temperatūras kombinācijas, kurās apvalka virsmas temperatūra ir zemāka par pasīvās -uz-aktīvās pārejas temperatūru.

Maksimālā drošā tilpuma temperatūra 1,6 mm apvalkam pie 15 W/cm2 Sērskābes tilpuma koncentrācija Apvalka virsmas temperatūra pie maksimālās drošas tilpuma Paredzamais korozijas ātrums Paredzamais kalpošanas laiks pie 1,6 mm 0 – 10% 95 grādi 120 – 125 grādi 0,15 –/gads 0,08 – 1 gads 20% 90 grādi 115 - 120 grādi 0,10 - 0,20 mm/gadā 6 - 10 gadi 20 - 30% 80 grādi 105 - 110 grādi 0,15 - 0,30 mm/gadā 4 - 8 gadi 30 - 35% 65 grādi - 30 - 35% 65 grādi -3 mm 90 -40 5 gadi50 grādi 75 – 80 grādi 0,30 – 0,60 mm/gadā 2 – 4 gadi 40 – 45% nedroši jebkurā temperatūrā Vairāk par 65 grādiem Aktīvā korozija > 5 mm/gadā No nedēļas līdz mēnešiem
45 – 60% Nav droši jebkurā temperatūrā Jebkāda Aktīvā korozija > 10 mm/gadā no dienām līdz nedēļām
60–70% 50 grādi 75–80 grādi 0,50–1,00 mm/gadā 1–2 gadi (pārejas periods)80 grādi 105–110 grādi 0,20–0,40 mm/gadā 3–5 gadi (re{16}}pasivēts)
80 – 93% 100 grādi 125 – 130 grādi 0,10 – 0,20 mm/gadā 6 – 10 gadi
Vairāk nekā 93% 120 grādi 145 - 150 grādi 0,05 - 0,10 mm/gadā 10 - 15 gadi
Skābju koncentrācijām no 40 līdz 60% neviena tilpuma temperatūras un vatu blīvuma kombinācija nedos drošu 1,6 mm 316 apvalku nepārtrauktai darbībai. Pasīvā plēve ir nestabila jebkurā temperatūrā, kas augstāka par 30 grādiem, un siltuma plūsmas izraisītā augstā temperatūra uz apvalka virsmas nodrošina aktīvu koroziju. Šajā koncentrācijas diapazonā inženieriem ir jānorāda pret koroziju izturīgāks sakausējums, piemēram, Alloy 20 (Carpenter 20) vai Alloy 825, vai arī jāizmanto nemetāla sildīšanas tehnoloģija, piemēram, grafīta vai silīcija karbīda iegremdējamais sildītājs. Piemēram, 38% sērskābe pie 55 grādu tilpuma temperatūras, drošā apvalka malā, neliels procesa traucējums var iespiest apvalku aktīvajā zonā. Inženieriem ir jāpiemēro drošības rezerve, kas ir vismaz par 5 grādiem zem maksimālās drošās temperatūras, kas norādīta tabulā.

Dizaina modifikācijas, lai paplašinātu drošas darbības aploksni
Kad procesa apstākļi tuvojas kritiskajiem sliekšņiem 1,6 mm 316 apvalkam, trīs konstrukcijas pielāgojumi var paplašināt drošu darbības vidi, nemainot apvalka materiālu. Pirmais ir samazināt vatu blīvumu. Ja strādājam ar 8 W/cm², nevis 15 W/cm², apvalka virsmas temperatūra pazeminās par aptuveni 15–20 grādiem. Sildītājs ir bīstams 15 W/cm 2 38% sērskābē 60 grādu temperatūrā (virsmas temperatūra 85-90 grādi) un drošs pie 8 W/cm 2 (virsmas temperatūra 70-75 grādi). Kompromiss ir lielāks sildītāja garums vai diametrs. Otrs regulējums ir palielināt skābes plūsmu pa apvalka virsmu. Sūkņa vai maisītāja piespiedu cirkulācija paaugstina siltuma pārneses koeficientu no 200 – 500 W/m 2 K dabiskā konvekcijā līdz 1000 – 2000 W/m 2 K turbulentā plūsmā, samazinot virsmas temperatūras pieaugumu par 40 – 60 %. Tādējādi sildītājs, kas rada stagnējošās skābes paaugstināšanos par 30 °C, var radīt tikai 12 °C labi cirkulējošās skābes pieaugumu un uzturēt apvalka virsmu zem kritiskā līmeņa. Trešā izmaiņa ir oksidētāja pievienošana skābei. Pāreju no pasīvā uz aktīvo stāvokli var pāriet uz augstākām temperatūrām un koncentrācijām, saglabājot šķīduma oksidēšanas potenciālu ar nelielu slāpekļskābes vai ūdeņraža peroksīda koncentrāciju (0,1-0,5%). Bet tas ne vienmēr ir iespējams procesa ierobežojumu dēļ. Kritiskās instalācijās, kur neparedzēta sildītāja atteice var radīt ievērojamus ražošanas zudumus, inženieriem ir jāuzstāda korozijas uzraudzības zonde – mazs 316 kupons, kas elektroniski piestiprināts pie sildītāja apvalka. Pēkšņs galvaniskās strāvas pieaugums starp zondi un atsauces elektrodu norāda uz agrīnu pasīvās plēves sabrukšanu un ļauj operatoram samazināt jaudu vai mainīt skābes saturu, lai izvairītos no apvalka bojājumiem. Norādot sildītājus sērskābes apkalpošanai, vienmēr norādiet piegādātājam tilpuma koncentrāciju un paredzamo tilpuma temperatūras diapazonu un pieprasiet aprēķināto apvalka virsmas temperatūru ieteiktajam vatu blīvumam un sieniņu biezumam. Ja ražotājs nevar veikt šo aprēķinu, neuzticiet viņam lietojumprogrammu. Atšķirība starp drošu darbību un katastrofālu sērskābes atteici dažreiz ir mazāka par 10 grādiem no apvalka virsmas temperatūras, un precīza termiskā analīze ir svarīga uzticamai sildītāja specifikācijai.