Miks tekivad 316 roostevabast terasest ümbrisega elektrilised küttetorud naatriumhüpokloriti desinfitseerimissilmustel 30–50 kraadi juures kolme-faasi piiril sügava soonega rünnaku 200 tunni jooksul katkendlikul kasutamisel?

Naatriumhüpokloriti (NaOCl) kasutatakse tavaliselt desinfitseerimiseks munitsipaalveepuhastuses, toiduainete töötlemise kanalisatsioonis ja farmaatsiatööstuses kasutatavates CIP-süsteemides. Hüpokloriti retsirkulatsioonikontuurides kasutatakse tavaliselt elektriküttetorusid, et hoida lahuse temperatuur vahemikus 30–50 kraadi optimaalse desinfitseerimise efektiivsuse tagamiseks. Mitmete veepuhastusjaamade välirikked on aga näidanud, et 316 roostevabast terasest kesta on vastuvõtlikud 200–500-tunnise katkendliku töötunni jooksul õhu-vedeliku-auru kolme-faasi piiril tugevalt lokaliseeritud tugevale soonerünnakule. Seda rünnakut ei täheldata püsivalt märgades või täiesti kuivades tingimustes. Kolme -faasi piir, kus ümbris väljub hüpokloriti lahusest ja siseneb ülalolevasse aururuumi, puutub kokku ainulaadse tingimuste kombinatsiooniga, sealhulgas niisutus- ja kuivatustsüklid, hapnikuga rikastamine kokkupuutel õhuga, hüpokloriti ja kloriidiliikide aurustumine, mis põhjustab kontsentratsiooni, ja hüpokloriti lagunemine kloorgaasiks (Cl2). Tulemuseks on iseeneslik-korrosioonirakk, mis lõikab vedeliku tasemel ümbrisesse ringikujulise soone, mis tavaliselt läbib seina nädala jooksul täielikult. Selles uuringus kvantifitseeritakse soonte korrosioonikiirus NaOCl-teenuse kolme faasi piiril ning esitatakse disaini- ja töösoovitused selle rikkerežiimi vältimiseks.

Hüpokloriitide lahuste kolme{0}}faasipiiri elektrokeemia
Naatriumhüpokloriti lahused on oma olemuselt ebastabiilsed ja lagunevad vastavalt 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 ja ka 2NaOCl → 2NaCl + O2. Lagunemine kiireneb umbes 30-50 °C juures. Hüpokloritilahuse õhuke kile, mis niisutab ümbrist vedelikukogusest kõrgemal kolme-faasi piiril (õhk-vedelik-kiht), aurustub kiiresti, kontsentreerides hüpokloriti tavalisest 0,5–2,0% ligipääsetavast kloorist kuni 10–15% aurustumiskihini. Kontsentreeritud hüpoklorit laguneb kiiremini, saades kloorigaasi (Cl2), mis on väga söövitav 316 roostevaba terase ja lokaalselt intensiivselt oksüdeeriva madala pH-ga keskkonna suhtes. Samal ajal välistavad niisutus- ja kuivatustsüklid stabiilse passiivse kile loomise. Tsükli kuiva osa ajal on tekkinud passiivne kile kuivatatud ja purunenud. Uuesti niisutamise etapis ründab värske hüpoklorit katmata metalli enne uue katte moodustumist.

Diferentsiaalaeratsioonielemendi loomine kiirendab soonte mehhanismi Vedeliku joone all olev ala on hapnikuvaeses -(kuna hüpokloriti lagunemine kulutab hapnikku), samas kui õhuke kiht kolme-faasi piiri kohal on õhuga kokkupuutel hapniku-rikas. Hapnikurikas ala muutub katoodseks ja vahetult selle all olev metall anoodseks. Anoodvool lokaliseerub vedelikuliinil ja aja jooksul tekib süveneva ja laieneva soone.

Soonide korrosioonimäärade kvantifitseerimine kolme-faasi piiril
316 roostevabast terasest ümbriseproovi (1,5 mm sein, 12 mm läbimõõt, lahus lõõmutatud) sukeldati kontrollitud testimise käigus osaliselt 1,0% saadaolevasse kloori NaOCl lahusesse (alustades pH 10,5) 40 kraadi juures, kusjuures vedeliku tase oli -keskpikkuses. Katse vaheldumisi kuumutati (kesta pinge all kuni 50-kraadise pinnatemperatuurini) ja tühikäigul (ilma kuumutamiseta, 40-kraadine vann) 6-tunnise sisse-/6-tunnise väljalülitustsükliga. Aeg-ajalt kontrolliti proovide soone sügavust esialgsel vedeliku tasemel. Soone sügavust hinnati läbilõikamise ja optilise mikroskoopia abil.

Säriaeg (tundides) Märg{0}}kuivtsüklite arv (igaüks 6 tundi) Soone sügavus Max (μm) Soone laius (mm) Seina paksuse vähendamine soones (alates 1,5 mm)
0 0 0 0 0% 100 8 (umbes) 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% (perforatsiooni lähedal)
600 50 880 (perforeeritud) 3.0 59%
Särituse määr oli ligikaudu 1,5-2,0 um/h, mis on ligikaudu ühtlane pärast esialgset 50–100-tunnist inkubeerimist. 1,5 mm seina puhul oli prognoositud aeg perforatsioonini 600–800 tundi (25–33 päeva) pideva tsükli korral. Pikendatud väljalülitustsüklite ja erinevate tingimustega väliteenistuses tekkis rike sageli 200–500 tunni (8–21 päeva) jooksul.

Võrdlus pideva keelekümbluse ja muude teguritega
Kolm{0}}faasi piiriefekti eristamiseks erinevates olukordades viidi läbi kontrolltestid. Allolev statistika näitab, et kolmefaasiline piirtingimus ei kahjusta, võrreldes pideva sukeldumisega (ilma märjal-kuiva tsükliga sõitmiseta) ja täiesti kuiva kokkupuutega.

Katsetingimused NaOCl kontsentratsioon (% saadaval Cl 2) Temperatuur ( kraad ) Kokkupuuteaeg (tundides) Maksimaalne korrosioonisügavus (μm) Pinna seisukord
Täielikult sukeldatud (ilma õhuliideseta) 1.0 40 500 25 Kerge aukudega, ühtlane
Täiesti sukeldatud 1.0 50 (kesta soojendusega) 500 45 Punktid, soonteta
Osaliselt sukeldatud, konstantne vedelikutase (ei ole tsüklit) 1.0 40 500 180 (vedeliku joonel) Sooned, vähem tugevad
Osaliselt sukeldatud, märg-kuiv rattasõit (soojendus sisse/väljas) 1.0 40/50 500 620 Sügav soonimine
Osaliselt sukeldatud, pH reguleeritud 9,5-ni (naatriumkarbonaadina) 1.0 40/50 500 85 Kerge soonega
Osaliselt sukeldatud, lämmastiku läbipuhumine üle aururuumi 1.0 40/50 500 110 Vähendatud sooned
Osaliselt sukeldatud, deioniseeritud vesi (ilma NaOCl-ita) 0 40/50 500 0 Korrosioonivaba
Kriitilised tegurid on hüpokloriti olemasolu, vedeliku-auru liidese olemasolu, märg-kuivtsükkel ja hapniku juurdepääs aururuumi. Nende tegurite kõrvaldamine vähendab soonte tekkimist suhtega 3–7.

Kemikaalide mõju soone kiirusele
Soonestamise kiirus on üsna tundlik hüpokloritilahuse olemasoleva kloori kontsentratsiooni suhtes. Kõrgemad kontsentratsioonid toovad kaasa hüpokloriti kiirema lagunemise, kloori gaasi tootmise suurenemise ja agressiivsema aurustumiskontsentratsiooni. Katsed konstantsel 40-kraadisel temperatuuril 6-tunnise märgkuiva tsükli ja 500-tunnise kogu kokkupuutega andsid tulemuseks järgmise seose:

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 (ei saavutatud) Puudub 0.5 10.3 180 2500 Kerge 1.0 10.5 620 600-800 Tugev 2.0 11.0 1050 (perforeeritud < 500 tundi) 300-400 Väga tugev
1,0 kloori püüduriga (tiosulfaat, 10 ppm) 10.5 85 2800 Ei
Prognoositud perforatsiooniaeg tavalistes 0,5–1,5% NaOCl-sisaldusega joogivee desinfitseerimissilmustes on 316 kesta puhul 2–8 nädalat. Tiosulfaadi olemasolu kulutab tõhusalt vaba kloori ja väldib soonte tekkimist, kuid võib vähendada desinfitseerimise efektiivsust.

Näited välitõrgetest veepuhastusjaamades
Ülevaade 23 munitsipaalveepuhastusseadmest, milles kasutati 316 roostevabast terasest korpusega kütteseadet NaOCl retsirkulatsioonikontuurides (0,5–1,2% Cl₂, 35–45 kraadi, pumba vahelduv töö märg{6}}kuivtsüklitega iga 4–12 tunni järel), näitas järgmisi rikkemustreid:

Rajatise töömuster Ligikaudne märg{0}}kuivtsüklid päevase soone torkeaja kohta määratletud
Taim A (1,2% NaOCl) Pidev retsirkulatsioon, konstantne tase 0 (ei ole tsüklit) 8-12 kuud (ilma soonteta, ainult süvenditeta)
Taim B (1,0% NaOCl) Vahelduv, 6 tundi sees / 6 tundi väljas, tase varieerub 2 18 d
Taim C (0,8% NaOCl) Vahelduv, 8 tundi sees / 16 tundi väljas, tase kõigub 1.5 25 päeva
Taim D (0,5% NaOCl) Vahelduv, pumbatakse iga 4 tunni järel, tase langeb tsüklite vahel 6 12 päeva
Tehas E (0,5% NaOCl, vedeliku taset juhitakse ujukklapiga) Vahelduv kuumutamine, kuid ilma taseme tsüklita 0 (tase ei muutu) 6 kuud (ilma soonteta)
Taimed A ja E viitavad sellele, et stabiilse vedelikutaseme hoidmine (mitte ümbrise pinna märja -kuiva tsüklita) on soonte vältimiseks olulisem kui kõrge hüpokloriti kontsentratsioon. Kontsentratsioon ei mõjutanud nende seadmete rikete määra, mille taseme kõikumine või partiitöö, kus kütteseade oli äravoolutsüklite ajal avatud.

Disain ja tegevusstrateegiad kolmefaasilise{0}}vajamise vältimiseks
NaOCl-teenuse kolmefaasilise{0}}soonte leevendamiseks või drastiliseks minimeerimiseks kasutatakse kolme tehnilist lahendust. Kõige kindlam viis on hoida kütteseadet kogu aeg täielikult vee all. Kujundage paak või silmus nii, et minimaalne vedelikutase oleks kütteelemendi ülaosast kõrgemal. Varustage madala taseme väljalülituslüliti, mis -lülitab kütteseadme pingest välja, kui vedeliku tase langeb alla ümbrise ülaosa.

Teine eesmärk on hoida vedelik ühtlasel tasemel, sõltumata pumpade või küttekehade tegevusest, vältides sellega märg{0}}kuivtsüklit, kui vedelikku ei ole piisavalt, et seda täielikult vee alla lasta. Püsitaseme ülevoolupais või taseme reguleerimisventiil peatab vedeliku pinna liikumise üle ümbrise pinna.

Kolmas lähenemine on mõeldud süsteemidele, kus taseme kõikumist ei saa vältida. Küttekeha paigaldamine horisontaalselt, mitte vertikaalselt. Kui toru on horisontaalne, on kolme-faasi piir terve ringi asemel ainult üks joon toru ülaosas. Ka ülaosas tekkinud soon ei jõua nii kiiresti rõhupiirini. Lisaks saab ehitada horisontaalse toru, kus kütteelement asub ekstsentriliselt põhja poole, nii et ümbrise ülaosa ei kuumeneks otseselt, alandades seega kohalikku temperatuuri kolme -faasi piiril.

Hüpoklorititeenuse asendajad
Kui on vaja 316 roostevaba terast, kuid kolmefaasilist kokkupuudet ei saa vältida, on ümbrise materjali uuendamisel teatud eelised. Puudub tavaline roostevaba teras, mis oleks tõeliselt vastupidav kolmefaasilise hüpokloriti seisundile.

Kattematerjali soone sügavus 500 tunni pärast, 1% NaOCl, 40 kraadi, märg-kuiv rattasõit (um) Suhteline kulu (võr. 316) Soovitatav
316 roostevaba teras 620 1.0 Ei (kiire rike)
904L (UNS N08904) 280 2.5 Piirjoon
Alloy 825 (UNS N08825) 120 4.0 Vastuvõetav tasemete juhtimisega
Titaan klass 2<10 2.2 Yes (very good)
Titaani klass 7<5 2.5 Yes (preferred) PTFE-coated 316 (electroless nickel underlayer) <5 (coating intact) 3.0 Yes, but danger of coating deterioration
Titanium Grade 2 või Grade 7 on vastupidav hüpokloriti rünnakule temperatuuril kuni 70 kraadi ja on passiivne isegi kolmefaasilistes tingimustes. Toiduainetöötlemistehase väliandmed, kus 0,8% NaOCl CIP-ahelas asendati 316 kesta 2. klassi titaaniga, ei ilmnenud soonte või süvendite tekkimist pärast 24-kuulist vahelduvat tööd, kus 316 kesta varem purunes iga 3–4 nädala järel.

Hüpokloritsilmusküttekeha spetsifikatsioonikeel
Elektriliste küttetorude ostmisel naatriumhüpokloriti teenuse jaoks, kus on võimalik märg-kuivtsükkel või taseme kõikumine, peaksid insenerid nõudma vähemalt 2. või 7. klassi titaanist kesta materjali. Kui olemasolevas süsteemis kasutatakse roostevaba terast 316, tuleb järgida järgmisi töönõudeid: a) vedeliku taset hoitakse kogu aeg ülemise kütteelemendi kohal tasemekontrollisüsteemi abil; (b) Kütteseadme kontaktoriga blokeeritud madala taseme väljalülitus (c) Süsteem peab olema konstrueeritud pidevaks tööks konstantsel tasemel, mitte partii tühjendamiseks{7}}ja täitmiseks; d) Korpust kontrollitakse vedeliku tasemel kord kuus ultraheliga paksuse mõõtmise või visuaalse kontrollimise teel läbi vaateklaasi. Uute paigalduste puhul, mille hüpokloritisisaldus on üle 0,2% saadaoleva Cl 2 ja temperatuur on üle 35 kraadi, määrake titaanist 7. klassi ümbrise materjal ja küttekeha horisontaalne suund. Hüpoklorititeenuse kolmefaasiline piir kujutab endast ainulaadselt agressiivset mikro{15}keskkonda, mis erineb põhimõtteliselt kas täielikust sukeldumisest või aurufaasi kokkupuutest. Insenerid, kes seda mõistavad, saavad valida sobivad materjalid ja süsteemi konstruktsiooni, et vältida selle rakenduse jaoks iseloomulikke kiireid rikkeid.