Koja je maksimalna dozvoljena debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 za električni grijač za uranjanje u koncentraciji dušične kiseline iznad 20 posto na 80 stupnjeva Celzijusa?

Inženjeri hemijskih procesa koji biraju nerđajući čelik 316 kao materijal omotača za električne imerzione grejače u servisu azotne kiseline za linije za kiseljenje metala, hemijsku proizvodnju i laboratorijske digestivne sisteme, moraju biti svesni i otpornosti na koroziju i termičkih performansi. Dušična kiselina je jedinstvena među mineralnim kiselinama po tome što oksidira. Ovo pomaže u razvoju pasivnog sloja na nehrđajućem čeliku. Ali 316 i dalje može patiti od brze korozije pri koncentracijama većim od 20% i na temperaturama preko 60 stepeni, posebno ako je kiselina kontaminirana hloridima ili ako je temperatura površine omotača previsoka. Debljina stijenke omotača 316 utječe na količinu korozije za vijek trajanja grijača i temperaturu površine pri određenoj gustoći u vatima. U stvari, deblji zidovi povećavaju temperaturu površine što može dovesti do brže korozije. Na osnovu objavljenih dijagrama izokorozije i terenskih podataka, u ovom članku je prikazana maksimalna dopuštena debljina stijenke za 316 omotača u pogonu dušične kiseline.

Otpornost na koroziju nerđajućeg čelika 316 na azotnu kiselinu
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%, kiselina postaje snažno oksidirajuća i pasivni film se ponovo reformiše smanjujući stopu korozije. Najagresivniji region za 316 u azotnoj kiselini je oko 30-50% koncentracije na 80-100 stepeni, gde stope korozije mogu biti i do 0,5-1,0 mm godišnje. Toplotni tok do uranjajućeg grijača dovodi do toga da je temperatura površine omotača tipično 20-50 o C iznad temperature mase kiseline. Grejač u masnoj kiselini od 80 stepeni pri 8 W/cm² bi imao temperaturu površine omotača od 105-115 stepeni, što je u visokom opsegu za stopu korozije. Međutim, međuodnos između debljine stijenke, gustine u vatima i površinske temperature znači da deblji omotač, povećavajući temperaturu površine za datu gustoću u vatima, zapravo može skratiti vijek trajanja, iako daje više početnog materijala.

Stopa korozije i vijek trajanja Efekat debljine zida
Sa povećanjem debljine stijenke omotača od 316, dodatni toplinski otpor raste linearno s temperaturom vanjske površine za određenu gustoću u vatima i temperaturu mase kiseline. Stopa korozije pri 40% azotne kiseline i zapreminskoj temperaturi od 80 stepeni je oko 0,3 mm/godišnje, temperatura površine omotača je 95 stepeni. Na 110 stepeni stopa korozije se povećava na oko 0,7 mm godišnje. Na 125 stepeni stopa se približava 1,2 mm/god. Sada razmotrite grijač sa 6 W/cm$^2$ i debljinom zida od 1,0 mm. Temperatura površine je oko 100 stepeni što daje stopu korozije od 0,4 mm godišnje. Količina korozije od 0,4 mm u odnosu na debljinu od 1,0 mm omogućava 0,6 mm za strukturalni integritet dajući siguran vijek trajanja od oko 2,5 godine. Isti grijač sa debljinom zida od 2,0 mm pri istoj gustoći vata ima površinsku temperaturu od otprilike 118 stepeni, a time i stopu korozije od 0,9 mm godišnje. Uz dodatak korozije od 0,9 mm preko 2,0 mm, ovo ostavlja 1,1 mm, što daje vijek trajanja od oko 2,4 godine - praktično isti, ali sa dvostruko većom originalnom debljinom zida. Deblji zid ne produžava vijek trajanja jer brže korodira. Ovaj paradoksalan zaključak sugerira da za rad dušične kiseline postoji idealna debljina stijenke koja uravnotežuje početni materijal u odnosu na ubrzanje korozije. Proračuni zasnovani na objavljenim podacima o koroziji pokazuju idealnu debljinu stijenke omotača 316 od oko 1,2-1,4 mm za 40% azotne kiseline na 80 stepeni sa gustinom u vatima od 6-8 W/cm² kako bi se osigurao najveći vijek trajanja.

Maksimalna preporučena debljina zida za upotrebu sa azotnom kiselinom
Sljedeća tabela daje preporučene maksimalne debljine stijenke plašta za električne potopne grijače u pogonu dušične kiseline. Vrijednosti su za kontinuirani rad, čistu kiselinu bez kontaminacije hloridima i minimalni ciljni vijek trajanja od dvije godine. Za potrebe dužeg vijeka trajanja korisnije je smanjiti gustoću Watt-a nego povećati debljinu zida.

Koncentracija azotne kiseline u rasutom stanju Temperatura kiseline Preporučeni opseg gustine u vatima Maksimalna preporučena 316 Debljina zida omotača Očekivana stopa korozije pri maksimalnoj debljini Procenjeni radni vek pri maksimalnoj debljini 10 – 20% Do 90 stepeni 8 – 12 – 12 W/cm² 02.5 mm². 8 godina 20 – 30% 60 – 80 stepeni 6 – 10 W/cm² 1,6 mm 0,30 – 0,50 mm/godina 3 – 5 godina 20 – 30% 80 – 95 stepen 4 – 7 W/cm² 1,2 mm 0,50 – godina 0,20 mm/god. 80 stepen 4 – 6 W/cm² 1,2 mm 0,60 – 1,00 mm/godina 1,5 – 2,5 godine 30 – 50% 80 – 95 stepen 2 – 4 W/cm² 1,0 mm 0,80 – 1,20 mm/godina 1 – 2 godine W/cm 1 – 2 godina 50 – 2 % do 6 – 8 stepen 2,0 mm 0,10 – 0,20 mm/godina 5 – 10 godina 50 – 70% 80 – 100 stepeni 4 – 7 W/cm² 1,6 mm 0,20 – 0,35 mm/godina 4 – 6 godina
Preko 70% Do 100 stepeni 8 – 12 W/cm² 2,5 mm Ispod 0,10 mm/godišnje Preko 10 godina
Nerđajući čelik 316 je marginalan za azotnu kiselinu u opsegu koncentracija od 30-50% na temperaturama iznad 80°C, bez obzira na debljinu zida. Inženjeri u ovim uslovima treba da razmotre nadogradnju na nerđajući čelik sa visokim sadržajem silicijuma kao što je Durimet 20 ili legura titanijuma. Titanijum ima visoku otpornost na koroziju u dušičnoj kiselini pri svim koncentracijama i temperaturama sa stopama korozije ispod 0,05 mm/godišnje čak i pri temperaturi ključanja. Veća početna cijena titana nadoknađena je dužim vijekom trajanja i eliminacijom mogućnosti katastrofalnog kvara zbog lokalizirane korozije.

Modifikacije dizajna za produženi vijek trajanja bez povećanja debljine zida
Tri promjene dizajna mogu produžiti vijek trajanja u teškom okruženju s dušičnom kiselinom gdje je upotreba omotača 316 neophodna, a debljina stijenke je ograničena toplinskim ili proizvodnim ograničenjima. Prvi i najefikasniji je minimiziranje gustoće vata. Smanjenje gustine u vatima sa 6 W/cm² na 3 W/cm² dovodi do smanjenja temperature površine plašta za oko 15-20 stepeni, što je dovoljno da smanji stopu korozije za 40-60% u transpasivnom području. Kompromis je veća dužina ili prečnik grijača. Druga izmjena je pasiviziranje površine plašta jakom dušičnom kiselinom prije ugradnje. Potapanje od 30 minuta u 30% azotne kiseline na 60°C smanjuje početnu stopu korozije za 20-30%, zgušnjava pasivni premaz i uklanja površinsku kontaminaciju željezom. Treća promjena je kontrola hemije kiselina. Koncentraciju nitratnih jona treba održavati iznad 0,5%, pa čak i tragove kontaminacije hloridima-ispod 50 ppm-treba izbjegavati kako bi se spriječio prelazak na aktivnu koroziju. Ako se hloridi ne mogu kontrolisati, bez obzira na debljinu zida, 316 je neprikladan. Za važne primjene dušične kiseline, inženjeri bi trebali zahtijevati testove korozije sa uzorcima stvarnog materijala omotača u stvarnoj procesnoj kiselini na očekivanoj površinskoj temperaturi. Objavljeni statistički podaci o koroziji mogu biti vodič, ali stvarna čistoća kiseline i kontrola temperature mogu znatno varirati. Trošak testiranja kupona je mali u usporedbi s cijenom neočekivanog kvara grijača koji kontaminira seriju proizvoda ili zatvara proizvodnu liniju. Prilikom naručivanja grijača za rad s dušičnom kiselinom, uvijek navedite očekivanu debljinu zida i gustinu u vatima i zatražite od proizvođača predviđenu temperaturu površine i odgovarajuću procijenjenu stopu korozije. Ako dobavljač ne može da isporuči proračune, onda mu ne treba dati aplikaciju.