Care este grosimea maximă admisă a peretelui învelișului din oțel inoxidabil 316 pentru un încălzitor electric cu imersie în serviciu cu acid azotic peste 20% concentrație la 80 de grade Celsius?

Inginerii de procese chimice care selectează oțel inoxidabil 316 ca material de înveliș pentru încălzitoarele electrice cu imersie în serviciul cu acid azotic pentru liniile de decapare a metalelor, producția chimică și sistemele de digestie de laborator, trebuie să cunoască atât rezistența la coroziune, cât și performanța termică. Acidul azotic este unic printre acizii minerali prin faptul că este oxidant. Acest lucru ajută la dezvoltarea unui strat pasiv pe oțel inoxidabil. Dar 316 poate suferi în continuare de coroziune rapidă la concentrații care depășesc 20% și la temperaturi de peste 60 de grade, mai ales dacă acidul este contaminat cu cloruri sau dacă temperatura suprafeței învelișului este prea ridicată. Grosimea peretelui învelișului 316 afectează toleranța de coroziune pentru durata de viață a încălzitorului și temperatura suprafeței la o anumită densitate de wați. De fapt, pereții mai groși cresc temperatura suprafeței, ceea ce ar putea duce la o coroziune mai rapidă. Pe baza diagramelor de izocoroziune publicate și a datelor de teren, acest articol prezintă grosimea maximă admisă a peretelui pentru 316 teci în serviciu cu acid azotic.

Rezistența la coroziune a oțelului inoxidabil 316 la acidul azotic
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%, acidul devine puternic oxidant, iar filmul pasiv se reformează din nou scăzând ratele de coroziune. Cea mai agresivă regiune pentru 316 în acid azotic este concentrația de aproximativ 30-50% la 80-100 de grade, unde ratele de coroziune ar putea fi de până la 0,5-1,0 mm pe an. Fluxul de căldură către un încălzitor cu imersie duce la temperatura suprafeței învelișului să fie de obicei cu 20-50 o C peste temperatura acidului în vrac. Un încălzitor cu acid în vrac de 80 de grade la 8 W/cm² ar avea o temperatură a suprafeței învelișului de 105-115 grade, care este în intervalul ridicat pentru rata de coroziune. Cu toate acestea, interrelația dintre grosimea peretelui, densitatea în wați și temperatura suprafeței înseamnă că o înveliș mai groasă, crescând temperatura suprafeței pentru o densitate dată în wați, ar putea de fapt scurta durata de viață, deși furnizează mai mult material de pornire.

Rata de coroziune și durata de viață Efectul grosimii peretelui
Odată cu creșterea grosimii peretelui de 316 înveliș, rezistența termică suplimentară crește liniar cu temperatura suprafeței exterioare pentru o anumită densitate în wați și temperatură a acidului în vrac. Rata de coroziune la 40% acid azotic și o temperatură în vrac de 80 de grade este de aproximativ 0,3 mm/an, temperatura suprafeței tecii fiind de 95 de grade. La 110 de grade, viteza de coroziune crește la aproximativ 0,7 mm pe an. La 125 de grade rata se apropie de 1,2 mm/an. Acum luați în considerare un încălzitor cu 6 W/cm$^2$ și grosimea peretelui de 1,0 mm. Temperatura suprafeței este de aproximativ 100 de grade, ceea ce oferă o rată de coroziune de 0,4 mm pe an. Aportul de coroziune de 0,4 mm față de grosimea de 1,0 mm permite 0,6 mm pentru integritatea structurală, oferind o durată de viață sigură de aproximativ 2,5 ani. Același încălzitor cu o grosime de perete de 2,0 mm la aceeași densitate în wați are o temperatură a suprafeței de aproximativ 118 grade și, prin urmare, o rată de coroziune de 0,9 mm pe an. Cu o toleranță de coroziune de 0,9 mm peste 2,0 mm, lasă 1,1 mm, oferind o durată de viață de aproximativ 2,4 ani - practic la fel, dar cu grosimea peretelui de două ori mai mare. Peretele mai gros nu prelungește durata de viață, deoarece se corodează mai repede. Această concluzie paradoxală sugerează că pentru funcționarea cu acid azotic există o grosime ideală a peretelui care echilibrează materialul inițial versus accelerația coroziunii. Calculele bazate pe datele de coroziune publicate indică o grosime ideală a peretelui învelișului 316 de aproximativ 1,2-1,4 mm pentru acid azotic 40% la 80 de grade cu o densitate în wați de 6-8 W/cm² pentru a oferi cea mai mare durată de viață.

Grosimea maximă recomandată a peretelui pentru serviciul cu acid azotic
Următorul tabel oferă grosimile maxime recomandate ale pereților învelișului pentru încălzitoarele electrice cu imersie în serviciu cu acid azotic. Valorile sunt pentru funcționare continuă, acid curat, fără contaminare cu clorură și o durată de viață minimă de doi ani. Pentru cerințe de viață mai lungă, este mai benefic să reduceți densitatea de wați decât să creșteți grosimea peretelui.

Concentrația acidului azotic Temperatura acidului în vrac Interval de densitate recomandată în wați Maxim recomandat 316 Grosimea peretelui învelișului Rata de coroziune estimată la grosimea maximă Durată de viață estimată la grosimea maximă 10 – 20% Până la 90 de grade 8 – 12 W/cm² 2,0 mm – 0,15 mm/an 2,0 mm/an 20 – 30% 60 – 80 grade 6 – 10 W/cm² 1,6 mm 0,30 – 0,50 mm/an 3 – 5 ani 20 – 30% 80 – 95 grade 4 – 7 W/cm² 1,2 mm 0,50 – 0,80 mm – 0,80 mm/an 3 – 0,80 mm/an 80 grade 4 – 6 W/cm² 1,2 mm 0,60 – 1,00 mm/an 1,5 – 2,5 ani 30 – 50% 80 – 95 grade 2 – 4 W/cm² 1,0 mm 0,80 – 1,20 mm/an 1 – 2,5 ani 1 – 60% 50 – 80% grade 2 – 4 W/cm² 1,0 mm W/cm² 2,0 mm 0,10 – 0,20 mm/an 5 – 10 ani 50 – 70% 80 – 100 grade 4 – 7 W/cm² 1,6 mm 0,20 – 0,35 mm/an 4 – 6 ani
Peste 70%Până la 100 de grade 8 – 12 W/cm² 2,5 mm Sub 0,10 mm/an Peste 10 ani
Oțelul inoxidabil 316 este marginal pentru acidul azotic în intervalul de concentrație de 30-50% la temperaturi peste 80 de grade C, indiferent de grosimea peretelui. Inginerii în aceste condiții ar trebui să ia în considerare trecerea la un oțel inoxidabil cu conținut ridicat de siliciu, cum ar fi Durimet 20 sau un aliaj de titan. Titanul are o rezistență ridicată la coroziune în acid azotic la toate concentrațiile și temperaturile cu viteze de coroziune sub 0,05 mm/an chiar și la temperatura de fierbere. Costul inițial mai mare al titanului este compensat de durata de viață mai lungă și de eliminarea posibilității de defecțiuni catastrofale din cauza coroziunii localizate.

Modificări de proiectare pentru o durată de viață extinsă fără creșterea grosimii peretelui
Trei modificări de proiectare pot crește durata de viață într-un mediu dur de acid azotic unde este necesară utilizarea unei mantale 316 și grosimea peretelui este limitată de constrângeri termice sau de fabricație. Prima și cea mai eficientă este reducerea la minimum a densității de wați. Scăderea densității de wați de la 6 W/cm² la 3 W/cm² are ca rezultat o scădere a temperaturii suprafeței învelișului cu aproximativ 15-20 de grade, ceea ce este suficient pentru a reduce rata de coroziune cu 40-60% în zona transpasivă. Compromisul este mai multă lungime sau diametru al încălzitorului. A doua modificare este de a pasiva suprafața mantalei cu acid azotic puternic înainte de instalare. O scufundare de 30 de minute în acid azotic 30% la 60 de grade C scade rata de coroziune inițială cu 20-30%, îngroașă stratul pasiv și îndepărtează contaminarea cu fier de suprafață. A treia modificare este controlul chimiei acide. Concentrația ionilor de azotat trebuie menținută peste 0,5% și chiar și contaminarea cu urme de clorură-sub 50 ppm - ar trebui evitată pentru a preveni trecerea la coroziune activă. Dacă clorurile nu pot fi controlate, indiferent de grosimea peretelui, 316 este inadecvat. Pentru aplicații importante ale acidului azotic, inginerii ar trebui să solicite teste cupoanelor de coroziune cu mostre din materialul de înveliș real din acidul de proces real la temperatura de suprafață așteptată. Statisticile de coroziune publicate pot fi un ghid, dar puritatea reală a acidului și controlul temperaturii pot varia foarte mult. Costul testării cuponului este mic în comparație cu costul unei defecțiuni neașteptate a încălzitorului care contaminează un lot de produse sau oprește o linie de producție. Când comandați încălzitoare pentru funcționarea cu acid azotic, indicați întotdeauna grosimea preconizată a peretelui și densitatea în wați și solicitați temperatura de suprafață estimată de producător și rata de coroziune estimată aferentă. Dacă furnizorul nu poate furniza calculele, atunci cererea nu ar trebui să le fie transmisă.