La ce combinație specifică de concentrație caustică și temperatura suprafeței învelișului trece o manta din oțel inoxidabil 316 de 1,6 milimetri de la coroziunea pasivă la cea activă în serviciul de hidroxid de sodiu pentru sistemele CIP?

Inginerii de proces care construiesc încălzitoare electrice cu imersie pentru sisteme curate-in-pentru procesarea alimentelor, fabricarea farmaceutică și producția de băuturi folosesc hidroxidul de sodiu ca principală substanță chimică de curățare. Soluțiile CIP tipice constau din 1-3% NaOH la 70-85 grade. În această situație, se formează filmul pasiv și, în general, rezistența la coroziune a oțelului inoxidabil 316 este bună. Cu toate acestea, la concentrații mai mari sau la temperaturi mai mari ale suprafeței de la densitatea în wați a încălzitorului, pelicula pasivă se poate defecta și poate apărea coroziunea activă cu rate care depășesc 1 milimetru pe an. Grosimea tipică a pereților încălzitoarelor CIP este de 1,6 mm, oferind un compromis rezonabil între toleranța la coroziune și reacția termică. Lucrarea stabilește concentrația caustică și temperatura suprafeței învelișului în care o înveliș 316 de 1,6 mm se schimbă de la coroziunea pasivă la coroziunea activă în serviciul hidroxid de sodiu.

316 Tranziția hidroxidului de sodiu de la pasiv la activ
Hidroxidul de sodiu este unic printre soluțiile alcaline prin faptul că comportamentul la coroziune al oțelului inoxidabil 316 prezintă o tranziție pasivă-activă clară, care depinde atât de concentrație, cât și de temperatură. În soluții diluate sub 5% NaOH și temperaturi sub 80oC, 316 rămâne pasiv cu viteze de coroziune mai mici de 0,05 mm pe an. Pe măsură ce concentrația crește sau temperatura crește, filmul pasiv devine instabil. La 10% NaOH temperatura de tranziție este de aproximativ 90 de grade. Se reduce la 75C 20% NaOH. La 30% NaOH valoarea scade la 60 de grade. La 50% NaOH, peste 40 de grade, intervalul pasiv dispare complet. Temperatura suprafeței învelișului este de obicei cu 15-30 de grade mai mare decât temperatura soluției în vrac pentru un încălzitor de imersie datorită densității de wați aplicate. Un sistem CIP cu 3% NaOH și o temperatură în vrac de 80 de grade cu un încălzitor de 8 W/cm² asigură o temperatură a suprafeței mantalei de 95-105 grade. Acoperirea pasivă de pe 316 se poate descompune la această temperatură a suprafeței și coroziunea activă are loc la rate de 0,5-2 mm pe an. Coroziunea activă va perfora o manta de 1,6 mm în 1–3 ani, cu toate acestea, funcționarea pasivă va oferi 10+ ani de funcționare.

Praguri critice de tranziție pentru manta de 1,6 mm
Testarea electrochimică a 316 eșantioane în soluții de hidroxid de sodiu la temperaturi legate de serviciul CIP a demonstrat că următoarele combinații de concentrație caustică în vrac și temperatura suprafeței învelișului vor determina tranziția pasivă-la-activă pentru un perete de 1,6 mm. Valorile sunt pentru lustruirea standard a suprafețelor și o densitate tipică în wați de 6–8 W/cm².

Concentrația hidroxidului de sodiu (% în greutate) Temperatură de tranziție pasivă la activă Temperatura minimă a suprafeței mantalei pentru coroziune activă Temperatură în vrac sigură pentru manta de 1,6 mm la 8 W/cm2 (creștere de 25 grade) Rata de coroziune așteptată în regim activ
1 – 2% >100 grade 100 grade 75 grade 0,3 – 0,7 mm/an
2 – 3% 95 – 100 grade 95 – 100 grade Până la 70 – 75 grade 0,5 – 1,0 mm/an
3 – 5% 85 – 95 grade 85 – 95 grade Până la 60 – 70 grade 0,8 – 1,5 mm/an
5 – 7% 75 – 85 grade 75 – 85 grade Până la 50 – 60 grade 1,0 – 2,0 mm/an
7 – 10% 65 – 75 grade 65 – 75 grade Până la 40 – 50 grade 1,5 – 3,0 mm/an
10 – 15% 55 – 65 grade 55 – 65 grade Până la 30 – 40 grade 2,0 – 4,0 mm/an
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/an
Pentru un sistem CIP cu o temperatură în vrac de 80 de grade și 2% NaOH care utilizează o manta de 1,6 mm la 8 W/cm2, temperatura suprafeței mantalei este de aproximativ 105 de grade, mai mare decât pragul de tranziție de 100 de grade. Coroziunea activă va apărea și teaca se poate perfora în 1-2 ani. Scăderea densității de wați la 4 W/cm², scade creșterea temperaturii suprafeței la 12-15 grade, în timp ce temperatura învelișului rămâne la 92-95 grade, care este sub pragul de 100 de grade. Această modificare permite o durată de viață de 5-10 ani.

Înveliș de funcționare în siguranță cu înveliș de 1,6 milimetri în serviciul CIP caustic
Următorul tabel oferă concentrația maximă admisă de hidroxid de sodiu în vrac pentru o înveliș de 1,6 mm 316 la diferite temperaturi în vrac și densități de wați. Pentru anumite valori de concentrație, temperatura suprafeței tecii este menținută cu cel puțin 5 grade sub temperatura de tranziție pasivă-la-activă.

Temperatura soluției în vrac Densitate în wați 4 W/cm2 (creștere cu 12 grade) Densitate în wați 6 W/cm2 (creștere cu 18 grade) Densitate în wați 8 W/cm2 (creștere cu 25 grade) Densitate în wați 10 W/cm2 (creștere cu 32 grade) 60 grade Sigur până la 10% NaOH Sigur până la 7% NaOH Sigur până la 7% NaOH Sigur până la 7% NaOH 3% NaOH 65 grade Sigur până la 8% NaOH Procent sigur până la 5 NaOH Sigur până la 3% NaOH Sigur până la 2% NaOH 70 grade Sigur până la 6% NaOH Sigur până la 4% NaOH Sigur până la 2% NaOH Nesigur peste 1% 75oC Nesigur peste 5% NaOH max. 80 de grade Sigur până la 4% NaOH sigur până la 2% NaOH Nesigur peste 1,5% Nesigur 85 de grade Sigur până la 3% NaOH până la 1,5% NaOH sigur Nesigur Nesigur
90 de grade Sigur până la 2% NaOHNesigur peste 1% Nesigur Nesigur
Pentru un ciclu CIP tipic la 80 de grade cu 2% NaOH, o înveliș 316 de 1,6 mm este sigură numai la densități de wați de 4 W/cm2 sau mai puțin. La o densitate industrială de 8 W/cm², încălzitorul va fi în regim de coroziune activă și ar trebui prevăzută o durată de viață limitată de 1-3 ani, mai degrabă decât 5-10 ani deseori presupuși.

Modificări în designul operațiunii pasive
Pot fi făcute trei modificări de proiectare pentru a păstra funcționarea pasivă fără a schimba materialul învelișului în condiții de proces CIP, care altfel ar forța o manta de 1,6 mm 316 la coroziune activă (de exemplu, concentrații sau temperaturi caustice): Prima metodă este de a crește lungimea încălzită a elementului pentru a reduce densitatea în wați. Dublarea lungimii (1 m la 2 m) reduce creșterea temperaturii suprafeței mantalei de la 25 grade la 12 grade și revine la funcționarea pasivă atunci când densitatea în wați este redusă de la 8 W/cm2 la 4 W/cm2 . A doua ajustare este de a îmbunătăți circulația pe suprafața încălzitorului. Pentru aceeași densitate de wați, creșterea temperaturii suprafeței poate fi redusă la 8-10 grade la o viteză de 2-3 m/s folosind o pompă de circulație CIP. Modificarea finală este adăugarea unui inhibitor de coroziune la soluția caustică. Silicații sau fosfații la 100 până la 200 ppm pot stabiliza filmul pasiv pe 316 și pot crește temperatura de tranziție cu 10 până la 20 de grade. Dar aceste modificări probabil nu vor fi suficiente pentru sistemele CIP care necesită 5% NaOH la 80oC. În aceste cazuri, inginerul ar trebui să specifice utilizarea unui aliaj pe bază de nichel, cum ar fi aliajul 600 sau aliajul 825, care sunt pasivi în soluții caustice până la o concentrație de 50% la temperaturi peste 100 de grade . Costul upgrade-ului de la 316 la Alloy 825 este de obicei de 2-3 ori mai mare, dar durata de viață crește de la 1-2 ani la 10-15 ani. Spuneți întotdeauna furnizorului atunci când specificați încălzitoare pentru serviciul CIP: concentrația maximă de caustică, temperatura vrac și timpul de ciclu așteptat. Când un producător sugerează 316 pentru 5% NaOH la 85 de grade C, fără a lua în considerare tranziția pasiv-activă sau reducerea densității în wați, acesta nu este un sfat tehnic adecvat. Trecerea de la coroziunea pasivă la cea activă în hidroxidul de sodiu este bruscă și depinde de temperatură. O teacă 316 de 1,6 mm grosime care funcționează chiar sub prag poate persista timp de zece ani; unul care funcționează chiar dincolo de acesta poate eșua în 18 luni. Analiza termică precisă a temperaturii suprafeței mantalei este necesară pentru o specificație fiabilă.