Kui suur on maksimaalne lubatud 316 roostevabast terasest ümbrise seinapaksus elektrilise sukelsoojendi jaoks lämmastikhappega töötamisel, mille kontsentratsioon on üle 20 protsendi temperatuuril 80 kraadi Celsiuse järgi?
Jäta sõnum
Keemiliste protsesside insenerid, kes valivad 316 roostevaba terase elektriliste sukelsoojendite kestamaterjaliks lämmastikhappeteenuses metallide peitsimisliinide, keemiatööstuse ja laboratoorsete kääritussüsteemide jaoks, peavad olema teadlikud nii korrosioonikindlusest kui ka termilistest omadustest. Lämmastikhape on mineraalhapete hulgas ainulaadne, kuna see on oksüdeeriv. See aitab roostevabale terasele luua passiivse kihi. Kuid 316 võib siiski kannatada kiire korrosiooni all kontsentratsioonidel üle 20% ja temperatuuril üle 60 kraadi, eriti kui hape on saastunud kloriididega või kui ümbrise pinna temperatuur on liiga kõrge. 316 kesta seinapaksus mõjutab küttekeha kasutusea korrosioonivaru ja pinna temperatuuri teatud vattiheduse korral. Tegelikult tõstavad paksemad seinad pinna temperatuuri, mis võib põhjustada kiiremat korrosiooni. Avaldatud isokorrosioonidiagrammide ja väliandmete põhjal esitatakse selles artiklis maksimaalne lubatud seinapaksus 316 kesta jaoks lämmastikhappega töötamisel.
316 roostevaba terase korrosioonikindlus lämmastikhappele
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%, hape muutub tugevalt oksüdeerivaks ja passiivne kile reformeerub taas, vähendades korrosioonikiirust. Kõige agressiivsem piirkond 316 jaoks lämmastikhappes on umbes 30-50% kontsentratsioon 80-100 kraadi juures, kus korrosioonimäär võib ulatuda 0,5-1,0 mm aastas. Soojusvoog sukelküttekehasse viib selleni, et ümbrise pinna temperatuur on tavaliselt 20-50 o C kõrgem kui happe temperatuur. 80-kraadise puistehappega küttekeha 8 W/cm² juures oleks ümbrise pinnatemperatuur 105–115 kraadi, mis on korrosioonikiiruse kõrges vahemikus. Seina paksuse, vattiheduse ja pinnatemperatuuri vastastikune seos tähendab aga seda, et paksem kest, mis tõstab pinna temperatuuri antud vattiheduse korral, võib tegelikult lühendada kasutusiga, ehkki varustab rohkem lähtematerjali.
Korrosioonikiiruse ja kasutusea seina paksuse mõju
Kasvava ümbrise seina paksuse 316 võrra suureneb täiendav soojustakistus lineaarselt koos välispinna temperatuuriga teatud vattiheduse ja happe massitemperatuuri korral. Korrosioonikiirus 40% lämmastikhappe ja 80-kraadise puistetemperatuuri juures on umbes 0,3 mm/aastas, ümbrise pinnatemperatuur on 95 kraadi. 110 kraadi juures suureneb korrosioonikiirus ligikaudu 0,7 mm-ni aastas. 125 kraadi juures läheneb kiirus 1,2 mm/aastas. Nüüd kaaluge 6 W/cm$^2$ ja 1,0 mm seinapaksusega küttekeha. Pinna temperatuur on umbes 100 kraadi, mis annab korrosioonikiiruseks 0,4 mm aastas. 0,4 mm korrosioonivaru 1,0 mm paksuse vastu võimaldab 0,6 mm konstruktsiooni terviklikkust, mis annab ohutu kasutusea umbes 2,5 aastat. Sama 2,0 mm seinapaksusega ja sama vattihedusega küttekeha pinnatemperatuur on ligikaudu 118 kraadi ja seega ka korrosioonikiirus 0,9 mm aastas. Kui korrosioonivaru on 0,9 mm üle 2,0 mm, jääb see 1,1 mm, mis annab umbes 2,4-aastase kasutusea - praktiliselt sama, kuid kaks korda suurema seinapaksusega. Paksem sein ei pikenda eluiga, kuna korrodeerub kiiremini. See paradoksaalne järeldus viitab sellele, et lämmastikhappega töötamiseks on ideaalne seinapaksus, mis tasakaalustab algmaterjali ja korrosioonikiirenduse. Avaldatud korrosiooniandmetel põhinevad arvutused näitavad, et 40% lämmastikhappe jaoks on ideaalne 316 ümbrise seina paksus umbes 1,2–1,4 mm temperatuuril 80 kraadi ja vati tihedus 6–8 W/cm², et tagada maksimaalne kasutusiga.
Suurim soovitatav seinapaksus lämmastikhappega töötamiseks
Järgmises tabelis on toodud lämmastikhappega töötavate elektriliste sukelsoojendite soovitatavad ümbrise seinapaksused. Väärtused kehtivad pideva töö, puhta happe ja kloriididega saastumiseta ja minimaalse kasutusea jaoks kaks aastat. Pikema kasutusea nõuete jaoks on kasulikum vähendada vattihedust kui suurendada seina paksust.
Lämmastikhappe kontsentratsioon Puistehappe temperatuur Soovitatav vattitiheduse vahemik Maksimaalne soovitatav 316 Kest seina paksus Eeldatav korrosioonikiirus maksimaalse paksuse juures Hinnanguline kasutusiga maksimaalse paksuse juures 10–20% Kuni 90 kraadi 8–12 W/cm0,5 mm/aasta 0,5 mm. 5 – 8 aastat 20 – 30% 60 – 80 kraadi 6 – 10 W/cm² 1,6 mm 0,30 – 0,50 mm/aastas 3 – 5 aastat 20 – 30% 80 – 95 kraadi 4 – 7 W/cm² 1,2 mm 0,50 – 0,8 % 0,50 – 0,8 – 80 kraadi 4 – 6 W/cm² 1,2 mm 0,60 – 1,00 mm/aastas 1,5 – 2,5 aastat 30 – 50% 80 – 95 kraadi 2 – 4 W/cm² 1,0 mm 0,80 – 1,20 mm/aastas 1 – 2 aastat 1 – 2 aastat 50 – 07 % ² kuni 6 – 0 2,0 mm 0,10–0,20 mm/aastas 5–10 aastat 50–70% 80–100 kraadi 4–7 W/cm² 1,6 mm 0,20–0,35 mm aastas 4–6 aastat
Üle 70%Kuni 100 kraadi 8–12 W/cm² 2,5 mm Alla 0,10 mm aastas Üle 10 aasta
Roostevaba teras 316 on lämmastikhappe kontsentratsioonivahemikus 30–50% temperatuuril üle 80 °C marginaalne, sõltumata seina paksusest. Sellistes tingimustes peaksid insenerid kaaluma kõrge ränisisaldusega roostevaba terase (nt Durimet 20) või titaanisulami kasutuselevõttu. Titaanil on lämmastikhappes kõrge korrosioonikindlus kõigil kontsentratsioonidel ja temperatuuridel ning korrosioonikiirus on alla 0,05 mm aastas isegi keemistemperatuuril. Titaani kõrgemat esialgset maksumust kompenseerib selle pikem kasutusiga ja lokaalsest korrosioonist tingitud katastroofilise rikke võimaluse välistamine.
Konstruktsioonimuudatused pikendada kasutusiga ilma seina paksust suurendamata
Kolm konstruktsioonimuudatust võivad pikendada kasutusiga karmis lämmastikhappekeskkonnas, kus on vaja kasutada 316 kesta ja seina paksust piiravad termilised või tootmispiirangud. Esimene ja kõige tõhusam on vattiheduse minimeerimine. Vattiheduse alandamine 6 W/cm²-lt 3 W/cm²-le toob kaasa ümbrise pinna temperatuuri languse umbes 15–20 kraadi võrra, mis on piisav korrosioonikiiruse vähendamiseks transpassiivses piirkonnas 40–60%. Kompromiss on rohkem küttekeha pikkust või läbimõõtu. Teine muudatus on ümbrise pinna passiveerimine tugeva lämmastikhappega enne paigaldamist. 30-minutiline sukeldamine 30% lämmastikhappesse temperatuuril 60 °C vähendab algset korrosioonikiirust 20-30%, pakseneb passiivne kate ja eemaldab pinna rauasaaste. Kolmas muudatus on happekeemia kontroll. Nitraadiioonide kontsentratsiooni tuleks hoida üle 0,5% ja isegi kloriidi jääkide saastumist -alla 50 ppm tuleks vältida, et vältida üleminekut aktiivsele korrosioonile. Kui kloriide ei saa kontrollida, olenemata seina paksusest, ei ole 316 sobiv. Oluliste lämmastikhapperakenduste puhul peaksid insenerid nõudma korrosioonikatseid tegeliku ümbrise materjali proovidega tegelikus protsessihappes eeldatava pinnatemperatuuri juures. Avaldatud korrosioonistatistika võib olla juhiseks, kuid tegelik happe puhtus ja temperatuuri reguleerimine võivad metsikult erineda. Kupongi testimise maksumus on väike võrreldes kuludega, mis tekivad ootamatu kütteseadme rikke tõttu, mis saastab tootepartii või seiskab tootmisliini. Lämmastikhappega töötamiseks mõeldud küttekehade tellimisel märkige alati ära eeldatav seinapaksus ja vattihedus ning küsige tootja prognoositavat pinnatemperatuuri ja sellega seotud hinnangulist korrosioonikiirust. Kui tarnija ei saa arvutusi tarnida, siis taotlust talle ei anta.
