A marókoncentráció és a burkolat felületi hőmérsékletének milyen specifikus kombinációja esetén vált át egy 1,6 milliméteres 316-os rozsdamentes acél burkolat passzívból aktív korrózióba a nátrium-hidroxid szolgáltatásban a CIP rendszerekben?

Az élelmiszer-feldolgozáshoz, gyógyszergyártáshoz és italgyártáshoz használt, tiszta{0}}helyben-rendszerekhez elektromos merülőmelegítőket építő folyamatmérnökök a nátrium-hidroxidot használják fő tisztítószerként. A tipikus CIP-oldatok 1-3% NaOH-t tartalmaznak 70-85 fokon. Ebben a helyzetben passzív film képződik, és általában a 316-os rozsdamentes acél korrózióállósága jó. Magasabb koncentrációknál vagy a fűtő wattsűrűségéből adódó magasabb felületi hőmérsékleten azonban a passzív film lebomolhat, és aktív korrózió léphet fel, amelynek sebessége meghaladja az évi 1 millimétert. A CIP fűtőtestek tipikus falvastagsága 1,6 mm, ami ésszerű kompromisszumot biztosít a korróziótűrés és a hőérzékenység között. A dolgozat meghatározza a maró koncentrációt és a köpeny felületi hőmérsékletét, ahol egy 1,6 mm 316-os hüvely passzívból aktív korrózióba változik nátrium-hidroxid üzemben.

316 Átmenet a nátrium-hidroxidban passzívról aktívra
A nátrium-hidroxid egyedülálló a lúgos oldatok között, mivel a 316 rozsdamentes acél korróziós viselkedése egyértelmű passzív -aktív átmenetet mutat, amely mind a koncentrációtól, mind a hőmérséklettől függ. 5% NaOH alatti híg oldatokban és 80 oC alatti hőmérsékleten a 316 passzív marad, és a korróziós sebesség kisebb, mint évi 0,05 mm. A koncentráció növekedésével vagy a hőmérséklet emelkedésével a passzív film instabillá válik. 10% NaOH esetén az átmeneti hőmérséklet körülbelül 90 fok. 75C 20%-os NaOH-ra csökken. 30%-os NaOH-nál az érték 60 fokra csökken. 50%-os NaOH-nál 40 fok felett a passzív tartomány teljesen eltűnik. A burkolat felületi hőmérséklete az alkalmazott wattsűrűség miatt jellemzően 15-30 fokkal magasabb, mint a merülő fűtőberendezés ömlesztett oldatának hőmérséklete. A 3% NaOH-t és 80 fokos ömlesztett hőmérsékletet tartalmazó CIP rendszer 8 W/cm² fűtőtesttel 95-105 fokos köpenyfelületi hőmérsékletet biztosít. A 316-os passzív bevonat ezen a felületi hőmérsékleten lebomolhat, és az aktív korrózió évente 0,5-2 mm-es sebességgel lép fel. Az aktív korrózió 1-3 év alatt átlyukasztja az 1,6 mm-es burkolatot, a passzív működés azonban 10+ év üzemidőt biztosít.

Kritikus átmeneti küszöbök 1,6 mm-es burkolathoz
316 minta elektrokémiai vizsgálata nátrium-hidroxid-oldatokban CIP-szolgáltatással kapcsolatos hőmérsékleteken kimutatta, hogy az ömlesztett maróanyag-koncentráció és a burkolat felületi hőmérsékletének következő kombinációi passzív -az-aktív átmenetet okoznak egy 1,6 mm-es falnál. Az értékek a szabványos horzsolt felületi polírozásra és a tipikus 6-8 W/cm² wattsűrűségre vonatkoznak.

Nátrium-hidroxid-koncentráció (tömeg%) Passzív-aktív átmeneti hőmérséklet A köpeny minimális felületi hőmérséklete aktív korrózióhoz Biztonságos ömlesztett hőmérséklet 1,6 mm-es burkolathoz 8 W/cm2-nél (25 fokos emelkedés) Várható korróziós sebesség aktív üzemmódban
1 – 2% >100 fok 100 fok 75 fok 0,3 – 0,7 mm/év
2 – 3% 95 – 100 fok 95 – 100 fok 70 – 75 fokig 0,5 – 1,0 mm/év
3 – 5% 85 – 95 fok 85 – 95 fok 60 – 70 fokig 0,8 – 1,5 mm/év
5 – 7% 75 – 85 fok 75 – 85 fok Akár 50 – 60 fok 1,0 – 2,0 mm/év
7 – 10% 65 – 75 fok 65 – 75 fok 40 – 50 fokig 1,5 – 3,0 mm/év
10 – 15% 55 – 65 fok 55 – 65 fok 30 – 40 fokig 2,0 – 4,0 mm/év
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/év
Egy 80 fokos ömlesztett hőmérsékletű és 2% NaOH-t tartalmazó CIP rendszernél, amely 1,6 mm-es burkolatot használ 8 W/cm2-nél, a burkolat felületi hőmérséklete 105 fok körül van, ami magasabb, mint a 100 fokos átmeneti küszöb. Aktív korrózió lép fel, és a burkolat 1-2 éven belül kilyukadhat. A wattsűrűség 4 W/cm²-re csökkentése 12-15 fokra csökkenti a felületi hőmérséklet emelkedést, miközben a burkolat hőmérséklete 92-95 fokon marad, ami a 100 fokos küszöb alatt van. Ez a változás 5-10 éves élettartamot tesz lehetővé.

1,6 milliméteres burkolat biztonságos működési boríték maró CIP szolgáltatásban
Az alábbi táblázat megadja a maximálisan megengedett ömlesztett nátrium-hidroxid-koncentrációt egy 1,6 mm 316-os hüvelyhez különböző térfogati hőmérsékleteken és wattsűrűségeknél. Bizonyos koncentrációértékek esetén a burkolat felületi hőmérsékletét legalább 5 fokkal a passzív ---aktív átmeneti hőmérséklet alatt kell tartani.

Tömeges oldat hőmérséklete Watt-sűrűség 4 W/cm2 (12 fokos növekedés) Wattsűrűség 6 W/cm2 (18 fokos emelkedés) Wattsűrűség 8 W/cm2 (25 fokos emelkedés) Wattsűrűség 10 W/cm2 (32 fokos emelkedés) 60 fok Biztonságos 10% NaOH-ig Biztonságos NaOH-ig NaOH 5-ig NaOH 5-ig 65 fok Biztonságos 8% NaOH-ig Biztonságos 5 NaOH-ig Biztonságos 3% NaOH-ig Biztonságos 2% NaOH-ig 70 fok Biztonságos 6% NaOH-ig Biztonságos 4% NaOH-ig Biztonságos 2% NaOH-ig Nem biztonságos 1% felett 75oC Nem biztonságos 5% NaOH felett max 3%, biztonságos NaOH 0% Biztonságos 5% 1% -ig 8 4% NaOH biztonságos 2% NaOH-ig Nem biztonságos 1,5% felett Nem biztonságos 85 fok Biztonságos 3% NaOH-ig 1,5% NaOH biztonságos Nem biztonságos Nem biztonságos
90 fok Biztonságos 2%-ig NaOH Nem biztonságos 1% felett Nem biztonságos Nem biztonságos
Egy tipikus CIP-ciklushoz 80 fokon 2%-os NaOH-val az 1,6 mm-es 316-os burkolat csak 4 W/cm2 vagy annál kisebb wattsűrűség esetén biztonságos. 8 W/cm² ipari wattsűrűségnél a fűtőelem aktív korróziós üzemmódban lesz, és a gyakran feltételezett 5-10 év helyett 1-3 éves korlátozott élettartamot kell előre jelezni.

Passzív működési tervezési változások
Három tervezési módosítás végezhető a passzív működés megőrzése érdekében a burkolat anyagának megváltoztatása nélkül a CIP-folyamat körülményei között, amelyek egyébként egy 1,6 mm-es 316-os burkolatot aktív korrózióba kényszerítenének (pl. maró koncentráció vagy hőmérséklet): Az első módszer az elem fűtött hosszának növelése a watt-sűrűség csökkentése érdekében. A hossz megkétszerezése (1 m-ről 2 m-re) csökkenti a köpeny felületi hőmérsékletének emelkedését 25 fokról 12 fokra, és visszaáll passzív működésbe, ha a wattsűrűséget 8 W/cm2-ről 4 W/cm-re csökkentik2 . A második beállítás a keringés javítása a fűtőfelületen. CIP keringtető szivattyúval azonos wattsűrűség mellett 2-3 m/s sebességgel a felületi hőmérséklet emelkedés 8-10 fokra csökkenthető. A végső változás egy korróziógátló anyag hozzáadása a maróoldathoz. A 100-200 ppm-es szilikátok vagy foszfátok stabilizálhatják a 316-os passzív filmet, és 10-20 fokkal növelhetik az átmeneti hőmérsékletet. De ezek a változtatások valószínűleg nem lesznek elegendőek azokhoz a CIP-rendszerekhez, amelyek 80 oC-on 5% NaOH-t igényelnek. Ezekben az esetekben a mérnöknek meg kell határoznia egy nikkel-alapú ötvözet, például az Alloy 600 vagy az Alloy 825 használatát, amelyek passzívak maró oldatokban 50%-os koncentrációig 100 fok feletti hőmérsékleten. A 316-ról 825-ös ötvözetre való frissítés költsége általában 2-3-szor magasabb, de az élettartam 1-2 évről 10-15 évre nő. Mindig közölje a szállítóval, amikor a CIP-szolgáltatáshoz fűtőberendezéseket határoz meg: a maróanyag maximális koncentrációját, az ömlesztett hőmérsékletet és a várható ciklusidőt. Ha egy gyártó 316-ot javasol 5%-os NaOH-hoz 85 °C-on anélkül, hogy figyelembe venné a passzív-aktív átmenetet vagy a wattsűrűség csökkentését, ez nem megfelelő műszaki tanács. A nátrium-hidroxidban a passzív korrózióról az aktív korrózióra való váltás hirtelen és a hőmérséklet függvénye. A közvetlenül a küszöbérték alatt működő, 1,6 mm vastagságú 316-os hüvely tíz évig fennmaradhat; egy közvetlenül azon túl működő üzem 18 hónapon belül meghibásodhat. A megbízható specifikáció érdekében a köpeny felületi hőmérsékletének pontos termikus elemzése szükséges.