Při jaké konkrétní kombinaci koncentrace louhu a teploty povrchu pláště přechází plášť z nerezové oceli 316 o průměru 1,6 milimetru z pasivní na aktivní korozi v provozu na bázi hydroxidu sodného pro systémy CIP?

Procesní inženýři vyrábějící elektrické ponorné ohřívače pro čisté -na{1}}místní systémy pro zpracování potravin, farmaceutickou výrobu a výrobu nápojů používají hydroxid sodný jako hlavní čisticí chemikálii. Typické CIP roztoky sestávají z 1-3% NaOH při 70-85 stupních. V této situaci se tvoří pasivní film a obecně je odolnost korozivzdorné oceli 316 dobrá. Při vyšších koncentracích nebo vyšších povrchových teplotách z hustoty wattů ohřívače se však pasivní film může rozpadnout a může dojít k aktivní korozi s rychlostmi přesahujícími 1 milimetr za rok. Typická tloušťka stěny ohřívačů CIP je 1,6 mm, což představuje rozumný kompromis mezi přípustnou korozí a tepelnou odezvou. Článek stanoví koncentraci louhu a povrchovou teplotu pláště, kde se plášť 1,6 mm 316 mění z pasivní na aktivní korozi v provozu s hydroxidem sodným.

316 Přechod hydroxidu sodného z pasivního na aktivní
Hydroxid sodný je mezi alkalickými roztoky jedinečný v tom, že korozní chování nerezové oceli 316 vykazuje jasný pasivní -aktivní přechod, který je závislý na koncentraci i teplotě. Ve zředěných roztocích pod 5% NaOH a teplotách pod 80oC zůstává 316 pasivní s rychlostí koroze menší než 0,05 mm za rok. S rostoucí koncentrací nebo zvyšováním teploty se pasivní film stává nestabilním. Při 10% NaOH je teplota přechodu asi 90 stupňů. Klesá na 75C 20% NaOH. Při 30% NaOH hodnota klesne na 60 stupňů. Při 50% NaOH, nad 40 stupňů, pasivní rozsah úplně zmizí. Povrchová teplota pláště je typicky o 15–30 stupňů vyšší než teplota celého roztoku u ponorného ohřívače kvůli použité wattové hustotě. Systém CIP s 3% NaOH a 80° teplotou objemu s ohřívačem 8 W/cm² poskytuje povrchovou teplotu pláště 95-105 stupňů. Pasivní povlak na 316 se může při této povrchové teplotě rozpadnout a aktivní koroze se vyskytuje rychlostí 0,5–2 mm za rok. Aktivní koroze propíchne 1,6mm plášť za 1–3 roky, ale pasivní provoz poskytne 10+ let služby.

Kritické přechodové prahy pro 1,6 mm pouzdro
Elektrochemické testování 316 vzorků v roztocích hydroxidu sodného při teplotách souvisejících s provozem CIP prokázalo, že následující kombinace objemové koncentrace louhu a povrchové teploty pláště způsobí pasivní -do{2}}aktivní přechod u 1,6 mm stěny. Hodnoty platí pro standardní kujné povrchové leštění a typickou wattovou hustotu 6–8 W/cm².

Koncentrace hydroxidu sodného (hmotnostní %) Pasivní k aktivní přechodové teplotě Minimální povrchová teplota pláště pro aktivní korozi Bezpečná objemová teplota pro plášť 1,6 mm při 8 W/cm2 (nárůst o 25 stupňů) Očekávaná míra koroze v aktivním režimu
1 – 2% >100 stupňů 100 stupňů 75 stupňů 0,3 – 0,7 mm/rok
2 – 3 % 95 – 100 stupňů 95 – 100 stupňů Až 70 – 75 stupňů 0,5 – 1,0 mm/rok
3 – 5 % 85 – 95 stupňů 85 – 95 stupňů Až 60 – 70 stupňů 0,8 – 1,5 mm/rok
5 – 7 % 75 – 85 stupňů 75 – 85 stupňů Až 50 – 60 stupňů 1,0 – 2,0 mm/rok
7 – 10 % 65 – 75 stupňů 65 – 75 stupňů Až 40 – 50 stupňů 1,5 – 3,0 mm/rok
10 – 15 % 55 – 65 stupňů 55 – 65 stupňů Až 30 – 40 stupňů 2,0 – 4,0 mm/rok
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/rok
U systému CIP s teplotou objemu 80 stupňů a 2% NaOH využívajícím 1,6 mm plášť při 8 W/cm2 je povrchová teplota pláště přibližně 105 stupňů, což je vyšší než práh přechodu 100 stupňů. Dojde k aktivní korozi a za 1-2 roky může dojít k perforaci pláště. Snížením wattové hustoty na 4 W/cm² se sníží nárůst povrchové teploty na 12–15 stupňů, zatímco teplota pláště zůstane na 92–95 stupních, což je pod hranicí 100 stupňů. Tato změna umožňuje životnost 5-10 let.

1,6milimetrový plášť Bezpečná provozní obálka v kaustic CIP službě
Následující tabulka uvádí maximální přípustnou objemovou koncentraci hydroxidu sodného pro 1,6 mm 316 plášť při různých objemových teplotách a wattových hustotách. Pro určité hodnoty koncentrace je povrchová teplota pláště udržována alespoň 5 stupňů pod teplotou přechodu z pasivní -do-aktivní.

Objemová teplota roztoku Hustota 4 W/cm2 (zvýšení o 12 stupňů) Hustota 6 W/cm2 (vzrůst o 18 stupňů) Hustota 8 W/cm2 (vzrůst o 25 stupňů) Hustota wattů 10 W/cm2 (vzrůst o 32 stupňů) 60 stupňů Bezpečný do 10 % NaOH Bezpečný do 7 % NaOH % do 7 % NaOH % Safe do 5 % NaOH Bezpečné do 8 % NaOH Procento bezpečné do 5 NaOH Bezpečné do 3 % NaOH Bezpečné do 2 % NaOH 70 stupňů Bezpečné do 6 % NaOH Bezpečné do 4 % NaOH Bezpečné do 2 % NaOH Bezpečné nad 1 % 75oC Bezpečné nad 5 % NaOH max. 3 %, bezpečné NaOH 5 % Bezpečné do 1 % Bezpečné do 1.80 % Bezpečné do 1. NaOH bezpečný do 2 % NaOH Nebezpečný nad 1,5 % Nebezpečný 85 stupňů Bezpečný do 3 % NaOH Bezpečný do 1,5 % NaOH Nebezpečný Nebezpečný
90 stupňů Bezpečné do 2 % NaOHNebezpečné nad 1 % Nebezpečné Není bezpečné
Pro typický cyklus CIP při 80 stupních s 2% NaOH je 1,6 mm 316 plášť bezpečný pouze při wattových hustotách 4 W/cm2 nebo méně. Při průmyslové wattové hustotě 8 W/cm² bude ohřívač v režimu aktivní koroze a měla by být předpovězena omezená životnost 1–3 roky, spíše než často předpokládaných 5–10 let.

Změny návrhu pasivního provozu
Pro zachování pasivního provozu lze provést tři konstrukční úpravy, aniž by došlo ke změně materiálu pláště za podmínek procesu CIP, které by jinak přinutily plášť 1,6 mm 316 do aktivní koroze (např. koncentrace louhu nebo teploty): První metodou je zvětšení zahřáté délky prvku, aby se snížila hustota wattů. Zdvojnásobení délky (1 m na 2 m) snižuje nárůst povrchové teploty pláště z 25 stupňů na 12 stupňů a vrací se k pasivnímu fungování, když se hustota wattů sníží z 8 W/cm2 na 4 W/cm2 . Druhá úprava má zlepšit cirkulaci nad povrchem ohřívače. Při stejné wattové hustotě lze nárůst povrchové teploty snížit na 8–10 stupňů při rychlosti 2–3 m/s pomocí oběhového čerpadla CIP. Poslední změnou je přidání inhibitoru koroze do roztoku louhu. Silikáty nebo fosfáty při 100 až 200 ppm mohou stabilizovat pasivní film na 316 a zvýšit teplotu přechodu o 10 až 20 stupňů. Ale tyto změny pravděpodobně nebudou stačit pro CIP systémy, které vyžadují 5% NaOH při 80oC. V těchto případech by měl technik specifikovat použití slitiny na bázi niklu,{29}}jako je Alloy 600 nebo Alloy 825, které jsou pasivní v žíravých roztocích až do koncentrace 50 % při teplotách nad 100 stupňů. Náklady na upgrade z 316 na Alloy 825 jsou obvykle 2-3krát vyšší, ale životnost se zvyšuje z 1–2 let na 10–15 let. Při specifikaci ohřívačů pro službu CIP vždy sdělte dodavateli: maximální koncentraci louhu, objemovou teplotu a očekávanou dobu cyklu. Když výrobce navrhuje 316 pro 5% NaOH při 85 °C bez jakéhokoli uvážení přechodu pasivně-aktivní nebo snížení hustoty wattu, není to vhodná technická rada. Změna z pasivní na aktivní korozi u hydroxidu sodného je náhlá a je funkcí teploty. Plášť 316 o tloušťce 1,6 mm fungující těsně pod prahovou hodnotou může přetrvávat deset let; jeden provozovaný těsně za ním může selhat za 18 měsíců. Pro spolehlivou specifikaci je nezbytná přesná tepelná analýza teploty povrchu pláště.