Zašto električne grijaće cijevi od nehrđajućeg čelika 316 u petljama za dezinfekciju natrijum hipohlorita na 30–50 stepeni razvijaju napad dubokih žljebova na tro-faznoj granici unutar 200 sati povremenog rada?

Natrijum hipohlorit (NaOCl) se obično koristi za dezinfekciju u prečišćavanju komunalne vode, sanitaciji u preradi hrane i farmaceutskim CIP (clean-na-mjestu) sistemima. Električne cijevi za grijanje se obično koriste u hipohloritnim recirkulacijskim petljama kako bi se održale temperature rastvora u rasponu od 30-50 stepeni za optimalnu efikasnost dezinfekcije. Kvarovi na terenu na nekoliko postrojenja za prečišćavanje vode, međutim, pokazali su da je 316 omotača od nehrđajućeg čelika podložno visoko lokaliziranom, ozbiljnom napadu žljebova na granici trofazne -tečnosti{8}}pare- u 200 do 500 sati rada s prekidima. Ovaj napad se ne vidi pod stalnim vlažnim ili potpuno suvim uslovima. Trofazna granica, gdje omotač napušta otopinu hipoklorita i ulazi u parni prostor iznad, izložena je jedinstvenoj kombinaciji uvjeta uključujući cikluse vlaženja i sušenja, obogaćivanje kisikom kroz kontakt sa zrakom, isparavanje hipohlorita i vrsta klorida koje izazivaju koncentraciju i razgradnju hipoklorita do plinovitog klora (Cl2). Rezultat je samoodrživa korozivna ćelija koja seče obodni žljeb u omotaču na nivou tečnosti, obično potpuno prožimajući zid u roku od nekoliko sedmica. Ova studija kvantificira stopu korozije žljebova na trofaznoj granici u NaOCl servisu i predstavlja preporuke za dizajn i rad kako bi se izbjegao ovaj način kvara.

Elektrohemija trofazne granice u rastvorima hipohlorita
Rastvori natrijum hipohlorita su inherentno nestabilni i razlažu se prema 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 i takođe 2NaOCl → 2NaCl + O2. Raspadanje se ubrzava oko 30-50oC. The thin film of hypochlorite solution wetting the sheath above the bulk liquid level at the three-phase boundary (air-liquid-sheath) quickly evaporates, concentrating hypochlorite from usual 0.5–2.0% accessible chlorine to as high as 10–15% in the evaporating film. The concentrated hypochlorite decomposes more rapidly to yield chlorine gas (Cl₂) which is very corrosive to 316 stainless steel and a locally intensely oxidising, low pH environment. Istovremeno, ciklusi vlaženja i sušenja onemogućuju stvaranje stabilnog pasivnog filma. U toku suvog dela ciklusa svaki pasivni film koji se formira je osušen i polomljen. Tokom faze ponovnog vlaženja, svježi hipohlorit napada izloženi metal prije nego što se može formirati novi premaz.

Stvaranje ćelije za diferencijalnu aeraciju ubrzava mehanizam žljebova. Područje ispod linije tekućine je iscrpljeno kisikom-(pošto hipoklorit troši kisik), dok je tanki sloj iznad trofazne granice-obogaćen kisikom-iz kontakta sa zrakom. Područje bogato kisikom postaje katodno, a metal odmah ispod postaje anodičan. Anodna struja je lokalizovana na liniji tečnosti i tokom vremena razvija žljeb koji se produbljuje i širi.

Kvantificiranje stopa korozije žljebova na tro-granici
316 stainless steel sheath samples (1.5 mm wall, 12 mm OD, solution-annealed) were partially immersed in 1.0% available chlorine NaOCl solution (starting pH 10.5) at 40℃in controlled testing, with the liquid level at mid-length. The test alternated between heating (sheath energised to 50℃surface temperature) and idling (no heating, 40℃bath) on a 6-hour on/6-hour off cycle. U intervalima su uzorci provjeravani za dubinu žljebova na izvornom nivou tekućine. Dubina žljebova je procijenjena pomoću sekcije i optičke mikroskopije.

Vrijeme ekspozicije (sati) Broj mokrih-suhih ciklusa (svaki po 6 sati) Dubina žljeba Maks. (μm) Širina žlijeba (mm) Smanjenje debljine zida na žlijebu (od 1,5 mm)
0 0 0 0 0% 100 8 (približno) 45 0.8 3% 200 17 110 1.2 7% 300 25 210 1.5 14% 400 33 380 2.0 25% 500 42 620 2.5 41% (blizu perforacije)
600 50 880 (perforirano) 3.0 59%
Brzina udubljenja bila je oko 1,5-2,0 um/h izloženosti, otprilike konzistentna nakon početne inkubacije od 50-100 sati. Za zid od 1,5 mm predviđeno vrijeme do perforacije bilo je 600-800 sati (25-33 dana) pod kontinuiranim ciklusom. U službi na terenu sa produženim ciklusima van ciklusa i različitim uslovima, kvar je često bio unutar 200-500 sati (8-21 dan).

Poređenje s kontinuiranim uranjanjem i drugim faktorima
Izvršeni su kontrolni testovi kako bi se izolirao trofazni granični efekat u različitim situacijama. The statistics below show that there is no damage to the three phase boundary condition compared to continuous immersion (no wet-dry cycling) and entirely dry exposure.

Test Condition NaOCl Concentration (% available Cl 2) Temperature (℃) Exposure Time (hours) Maximum Corrosion Depth (μm) Surface Condition
Potpuno uronjen (bez zračnog interfejsa) 1.0 40 500 25 Blaga udubljenja, uniforman
Potpuno uronjen 1.0 50 (plašt zagrijan) 500 45 Udubljenje, bez žljebova
Djelomično uronjen, konstantan nivo tečnosti (bez ciklusa) 1.0 40 500 180 (na liniji tečnosti) Urezivanje, manje ozbiljno
Djelomično uronjeno, mokro-suvo cikliranje (grijanje uključeno/isključeno) 1.0 40/50 500 620 Duboki žljebovi
Djelomično uronjen, pH reguliran na 9,5 (kao natrijum karbonat) 1.0 40/50 500 85 Lagani žljebovi
Djelomično uronjeno, pročišćavanje dušikom preko prostora za isparavanje 1.0 40/50 500 110 Smanjeno urezivanje
Djelomično uronjena, dejonizirana voda (bez NaOCl) 0 40/50 500 0 Bez korozije
Critical factors are presence of hypochlorite, presence of a liquid-vapor interface, wet-dry cycling, and access of oxygen to the vapour space. Uklanjanje bilo kojeg od ovih faktora smanjuje žljebove za omjer 3-7.

Utjecaj hemikalija na brzinu urezivanja
Brzina žljebova je prilično osjetljiva na dostupnu koncentraciju hlora u otopini hipoklorita. Veće koncentracije dovode do bržeg razlaganja hipohlorita, povećane proizvodnje plina hlora i agresivnije koncentracije isparavanja. Testovi na konstantnom 40 stepeni sa 6-satnim ciklusima mokro-sušenje i ukupnim izlaganjem od 500 sati rezultirali su sljedećim odnosom:

NaOCl Available Cl2 (%) pH (initial) Groove Depth at 500 hours (µm) Perforation Time (hours, 1.5 mm wall) Vapour Space Cl2 Odour Observed 0.1 10.0 45 >5000 (nije postignuto) Ništa 0.5 10.3 180 2500 Blaga 1.0 10.5 620 600-800 Jaka 2.0 11.0 1050 (perforirana < 500 sati) 300-400 Vrlo jaka
1.0 sa hvatačem hlora (tiosulfat, 10 ppm) 10.5 85 2800 Ne
Predviđeno vrijeme perforacije za žljebove u tipičnim petljama za dezinfekciju vode za piće sa 0,5–1,5 % NaOCl je 2–8 sedmica za 316 omotača. Prisustvo tiosulfata efikasno troši slobodni hlor i izbegava udubljenje, ali može smanjiti efikasnost dezinfekcije.

Primjeri kvarova na terenu na postrojenjima za prečišćavanje vode
Pregled 23 komunalna postrojenja za prečišćavanje vode koja koriste 316 grijača obloženih nerđajućim čelikom u recirkulacijskim petljama NaOCl (0,5–1,2% raspoloživog Cl₂, 35–45 stepeni, povremeni rad pumpe sa mokrim{6}}suhim ciklusima svakih 4–12 sati) pokazao je sljedeće obrasce kvarova:

Obrazac rada objekta Približni mokri-suhi ciklusi po danu Definirano vrijeme probijanja žljebova
Postrojenje A (1,2 % NaOCl) Kontinuirana recirkulacija, konstantan nivo 0 (bez ciklusa) 8-12 mjeseci (bez žljebova, samo udubljenja)
Postrojenje B (1,0% NaOCl) Povremeno, 6 sati uključeno / 6 sati isključeno, nivo varira 2 18 d
Postrojenje C (0,8% NaOCl) Povremeno, 8 sati uključeno / 16 sati isključeno, nivo varira 1.5 25 dana
Postrojenje D (0,5% NaOCl) Povremeno, pumpe svaka 4 sata, nivo se smanjuje između ciklusa 6 12 dana
Postrojenje E (0,5% NaOCl, nivo tečnosti kontrolisan plutajućim ventilom) Povremeno grejanje, ali bez ciklusa nivoa 0 (bez promene nivoa) 6 meseci (bez žleba)
Biljke A i E sugeriraju da je održavanje stabilnog nivoa tekućine (bez mokro-suvog kruženja površine omotača) značajnije od visoke koncentracije hipohlorita u sprječavanju žljebova. Koncentracija nije uticala na stopu kvara postrojenja koja imaju fluktuacije nivoa ili serijski rad u kojima je grijač bio izložen tokom ciklusa pražnjenja.

Dizajn i operativne strategije za sprječavanje tro-faznih žljebova
Primjenjuju se tri inženjerska rješenja za ublažavanje ili drastično smanjenje trofaznih žljebova u NaOCl servisu. Najsigurniji način je da grijač cijelo vrijeme držite potpuno pod vodom. Dizajnirajte rezervoar ili petlju sa minimalnim nivoom tečnosti iznad vrha grejnog elementa. Obezbedite prekidač za niski nivo koji isključuje -grejač kada nivo tečnosti padne ispod vrha omotača.

Drugi je održavanje tečnosti na ujednačenom nivou nezavisno od djelovanja pumpi ili grijača, čime se izbjegava mokro{0}}suvo kruženje kada nema dovoljno tekućine da se potpuno potopi. Prelivna brana konstantnog nivoa ili ventil za kontrolu nivoa zaustavlja kretanje površine tečnosti preko površine omotača.

Treći pristup je za sisteme kada se varijacija nivoa ne može spriječiti. Horizontalna instalacija grijača, ne vertikalna. Kada je cijev horizontalna, trofazna granica je samo jedna linija na vrhu cijevi umjesto cijelog kruga. Također žljeb formiran na vrhu ne dostiže granicu pritiska tako brzo. Nadalje, može se izgraditi horizontalna cijev sa grijaćim elementom koji se nalazi ekscentrično prema dnu, tako da se gornji dio omotača ne zagrijava direktno, čime se snižava lokalna temperatura na trofaznoj granici -.

Zamjene za Hypochlorite Service
Ako je potreban nehrđajući čelik 316, ali se trofazno izlaganje ne može izbjeći, tada nadogradnja materijala omotača ima određenu prednost. Ne postoji uobičajeni nehrđajući čelik koji je zaista otporan na stanje trofaznog hipoklorita.

Materijal omotača Dubina utora na 500 sati, 1% NaOCl, 40 stepeni, mokro-suvo cikliranje (um) Relativna cijena (u odnosu na 316) Preporučena
316 nerđajući čelik 620 1.0 Ne (brzi kvar)
904L (UNS N08904) 280 2.5 Granica
Legura 825 (UNS N08825) 120 4.0 Prihvatljivo sa kontrolom nivoa
Titanijum 2<10 2.2 Yes (very good)
Titanijum 7<5 2.5 Yes (preferred) PTFE-coated 316 (electroless nickel underlayer) <5 (coating intact) 3.0 Yes, but danger of coating deterioration
Titanijum Grade 2 ili Grade 7 je otporan na napad hipohlorita na temperaturama do 70 stepeni i pasivan je čak iu trofaznim okolnostima. Podaci na terenu iz fabrike za preradu hrane u kojoj je 316 omotača zamijenjeno titanijumom 2 u CIP petlji od 0,8% NaOCl nisu pokazali žljebove ili udubljenja nakon 24 mjeseca rada s prekidima gdje je 316 omotača prethodno otkazalo svake 3-4 sedmice.

Jezik specifikacije grijača hipokloritne petlje
Prilikom kupovine električnih cijevi za grijanje za servis natrijum hipoklorita gdje postoji bilo kakva mogućnost mokrog{0}}suvog ciklusa ili fluktuacije nivoa, inženjeri bi trebali zahtijevati najmanje materijal za omotač od titanijuma 2 ili 7 razreda. Kada se nerđajući čelik 316 koristi u postojećem sistemu, moraju se uključiti sledeći operativni zahtevi: (a) Nivo tečnosti će se stalno održavati iznad najgornjeg grejnog elementa pomoću sistema za kontrolu nivoa; (b) Mora se obezbijediti prekidač niskog nivoa{5}}, koji je blokiran sa kontaktorom grijača da bi se isključio - grijač ako nivo padne ispod sigurnog minimuma; (c) Sistem će biti projektovan za kontinuirani rad sa konstantnim nivoom, a ne za grupno odvod-i-operacije punjenja; (d) Plašt se pregledava na nivou tečnosti jednom mesečno radi udubljenja ultrazvučnim merenjem debljine ili vizuelnom inspekcijom kroz kontrolno staklo. Za nove instalacije sa sadržajem hipohlorita preko 0,2% dostupnog Cl 2 i temperaturom preko 35 stepeni, navedite materijal omotača titanijuma Grade 7 i horizontalnu orijentaciju grejača. Trofazna granica u radu hipohlorita predstavlja jedinstveno agresivno mikro{15}okruženje koje se fundamentalno razlikuje od potpunog uranjanja ili izlaganja parnoj fazi. Inženjeri koji to razumiju mogu odabrati odgovarajuće materijale i dizajn sistema kako bi izbjegli brzi kvar urezivanja koji je tipičan za ovu primjenu.