Při jaké konkrétní kombinaci koncentrace kyseliny sírové a teploty vyžaduje 2,0 milimetrový plášť z nerezové oceli 316 snížení výkonu pod 8 wattů na centimetr čtvereční, aby se zabránilo všeobecnému pronikání koroze během šesti měsíců v lázních na moření kovů?

Procesní inženýři vyrábějící elektrické ponorné ohřívače pro lázně na moření kovů v ocelárnách a v kovodělném průmyslu čelí jedněm z nejtvrdších podmínek pro pláště z nerezové oceli 316, když čelí působení kyseliny sírové při extrémních teplotách. Mořící lázně jsou běžně provozovány při teplotách 60 až 90 stupňů a koncentracích kyseliny sírové 10 až 25 %, často s rozpuštěnými solemi železa, což ještě více komplikuje korozní chování. Často se volí tloušťka stěny 2,0 mm, aby umožnila korozi a poskytla mechanickou odolnost vůči turbulenci lázně a kontaktu s obrobkem. Avšak při průměrných wattových hustotách 8-12 W/cm2 je povrchová teplota pláště zvýšena o 20 až 40 stupňů nad teplotu hlavní lázně, což možná uvádí plášť do režimu aktivní koroze, kde rychlosti koroze překračují 5 mm za rok. Článek poskytuje konkrétní kombinace koncentrace a teploty, které vyžadují 2,0 mm 316 plášť, který má být snížen pod 8 W/cm2, aby se zabránilo obecnému pronikání koroze během šesti měsíců.

Pasivní-aktivní přechod nerezové oceli 316 na kyselinu sírovou
Jak bylo uvedeno v předchozích článcích, aktivní-pasivní přechod pro nerezovou ocel 316 v kyselině sírové je poměrně citlivý na teplotu i koncentraci. V pasivním režimu je rychlost koroze menší než 0,2 mm za rok. V aktivním režimu jsou sazby 5-20 mm za rok. Hranice přechodu podmínek mořicí lázně sleduje určitou křivku. Teplota přechodu 10 procent. kyselina sírová má asi 55 stupňů C. Při 15 % je přechod 45 stupňů. Při 20 % klesne na 38 stupňů. Dosahuje až 32 stupňů . - 25 %. U ohřívače ve velkoobjemové lázni o teplotě 70 stupňů s 15% kyselinou sírovou je samotný stav hmoty již nad přechodovou teplotou 45 stupňů - lázeň je aktivně korozivní až do 316 bez tepelného toku. 316 není za těchto okolností vhodná bez ohledu na tloušťku stěny nebo hustotu wattů. Mnoho mořicích lázní je však provozováno v přechodové zóně, kde jsou objemové podmínky pasivní, ale povrchová teplota pláště je hnána do aktivního režimu vysokým tepelným tokem. Pro tloušťku pláště 2,0 mm při 8 W/cm2 je nárůst teploty od objemu k povrchu pláště asi 20-25 stupňů. Objemová lázeň je při 40 stupních s 15% kyselinou (pasivní), takže povrchová teplota pláště je 60-65 stupňů, což je nad 45 stupňů, takže na povrchu pláště dochází k přechodově aktivní korozi, i když je objemová lázeň pasivní.

Kritické prahové hodnoty snížení 2,0 mm pláště
Korozní testování 316 vzorků při teplotách a koncentracích významných pro mořicí lázně přineslo následující požadavky na snížení pro 2,0 mm stěnový plášť, aby se zabránilo obecnému pronikání koroze během šesti měsíců. Hodnoty představují maximální wattovou hustotu, která udržuje povrchovou teplotu pláště alespoň 5 stupňů pod pasivní -aktivní teplotou přechodu pro konkrétní objemovou koncentraci.

Hromadná koncentrace kyseliny sírové Teplota hromadné lázně Pasivní-Aktivní teplota přechodu při této koncentraci Maximální povrchová teplota pláště (přechod – bezpečnostní rezerva 5 stupňů) Maximální přípustná hustota wattu pro plášť 2,0 mm Očekávaná doba do průniku 2,0 mm s vyšší hustotou výkonu
10 % 35 stupňů 55 stupňů 50 stupňů 12 W/cm2 8-12 měsíců při 12 W/cm2 10% 40 stupňů 55 stupňů 50 stupňů 8 W/cm2 6-9 měsíců při 8 W/cm2
10 % 45 stupňů 55 stupňů 50 stupňů 4 W/cm2 4-6 měsíce při 8 W/cm2 10% 50 stupňů 55 stupňů 50 stupňů 0 W/cm2 (neproveditelné) 2–4 měsíce při jakékoli hustotě wattu
30 stupňů 45 stupňů 40 stupňů 15 % 10 W/cm² 6-10 měsíců při 10 W/cm²
15 % 35 stupňů 45 stupňů 40 stupňů 6 W/cm² 4–6 měsíců při 8 W/cm²
15 % 40 stupňů 45 stupňů 40 stupňů 2 W/cm2 3-5 měsíců 6 W/cm2
15% >42 stupňů 45 stupňů 40 stupňů Není možné 2–3 měsíce 20 % 25 stupňů 38 stupňů 33 stupňů 8 W/cm2 5-8 měsíců při 8 W/cm2
20 % 30ºC 38ºC 33ºC 4 W/cm2 3-5 měsíců až 6 W/cm2
20 % 35 stupňů 38 stupňů 33 stupňů 0 W/cm² (není možné) 2-3 měsíce 25 %< 25°C < 32°C < 27°C < 4 W/cm2 2-4 months at 5 W/cm2
Pro typickou mořicí lázeň s objemovou teplotou 40 stupňů při 15% kyselině sírové musí 2,0 mm 316 plášť pracovat při nebo pod 2 W/cm2, aby povrch pláště zůstal pod 40 stupni a byl pasivní. Při 8 W/cm2 má povrch pláště asi 60-65 °C, daleko v aktivním režimu a obecná koroze by prožrala 2,0 mm stěnu za nějakých 3-5 měsíců. Odlehčení na 6 W/cm² prodlužuje životnost na 4–6 měsíců, avšak pod 6 měsíců. Snížení na 4 W/cm2 poskytuje pasivní provoz a 5+letou životnost, ale takto nízká hustota ve wattech je jen zřídka praktická pro průmyslové mořicí lázně.

Bezpečná provozní obálka – Šestiměsíční životnost
Níže uvedená tabulka uvádí maximální bezpečnou objemovou koncentraci kyseliny sírové a kombinace teplot pro 2,0 mm 316 plášť pro zajištění šestiměsíční životnosti při různých wattových hustotách bez aktivního pronikání koroze.

Hustota wattů Maximální objemová teplota pro 10 % H2SO4 Maximální objemová teplota pro 15 % H2SO4 Maximální objemová teplota pro 20 % H2SO4 Maximální objemová teplota pro 25 % H2SO4 4 W/cm2 48 stupeň 38 stupňů 30 stupňů 25 stupňů 35 stupňů 32} stupňů 8 W/cm2 43 stupeň 32 stupňů 25 stupňů Nebezpečné 10 W/cm2 40 stupeň 28 stupňů Nebezpečné Nebezpečné
12 W/cm2 36 stupňů Není bezpečné Není bezpečné Není bezpečné
Plášť 2,0 mm 316 při 8 W/cm2 by měl povrchovou teplotu asi 58 stupňů, nad přechodem 45 stupňů, pro mořicí lázeň pracující při 15% kyselině sírové a 35 stupňů objemové teplotě. Pravděpodobně to nebude trvat šest měsíců. Hustota ve wattech 4 W/cm^2 udržuje povrch asi 48 stupňů nad přechodovou teplotou 45 stupňů, ale snížená rychlost tepelného toku dostatečně zpomaluje rychlost koroze, aby se dosáhlo šest měsíců před pronikáním. Při objemu 45 stupňů a 10% kyselině sírové dávají 4 W/cm² povrchovou teplotu asi 58 stupňů , což je nad přechodovou teplotou 55 stupňů , a šestiměsíční-životnost je okrajová.

Konstrukční změny pro dosažení šestiměsíční životnosti bez snížení výkonu
Pokud podmínky mořicí lázně vyžadují vyšší hustoty wattů, než je povoleno pro bezpečný provoz, tři konstrukční úpravy poskytnou šesti{0}}měsíční životnost pláště 2,0 mm 316 bez snížení pod 8 W/cm2. Prvním je zlepšení cirkulace kyseliny po povrchu ohřívače. Turbulentní proudění o rychlosti 1-2 m/sec. snižuje růst povrchové teploty pláště z 25 stupňů na 10-15 stupňů při stejné wattové hustotě. Ohřívač s povrchovou teplotou 65 stupňů za stagnujících podmínek může fungovat při 50 stupních v dobře cirkulující kyselině a může skutečně klesnout pod práh přechodu. Druhou změnou je zavedení inhibitoru koroze do mořicí lázně. Komerční inhibitory mohou snížit aktivní rychlost koroze o 70–90 % a mohou rozšířit pasivní režim na vyšší teploty. Poslední úpravou je použití ohřívače s duální wattovou hustotou se sníženou hustotou výkonu ve spodní části lázně, kde jsou teploty vyšší z důvodu vrstvení. Nejlepší technickou odpovědí je upgrade z 316 na odolnější slitinu, jako je Alloy 20 nebo Alloy 825 pro většinu aplikací moření lázně. Normálně je rozdíl v nákladech mezi 2,0 mm pláštěm 316 a pláštěm ze slitiny 20 stejné velikosti 30–50 %, ale životnost v 15–20 % kyselině sírové při 50–60 stupních se zvyšuje ze 3–6 měsíců na 3–5 let. Při výběru ohřívačů pro mořicí lázně by měl technik poradit dodavateli přesné složení lázně, teplotní rozsah a předpokládaný stupeň turbulence. Pokud výrobce doporučuje 316 pro 15% kyselinu sírovou při 50 stupních a nemluví o snížení výkonu nebo možnosti aktivní koroze, nedává kompetentní rady. Přechod z pasivní na aktivní korozi v kyselině sírové je rychlý a nemilosrdný. U aktivní koroze se 2,0 mm plášť se ztrátou 5 mm za rok perforuje za méně než pět měsíců. Obecně je vyžadováno snížení pod 8 W/cm² po dobu šestiměsíční životnosti, avšak v mnoha průmyslových mořicích lázních je snížení pod 4 W/cm² nebo nižší nepraktické a vylepšení slitiny je jedinou spolehlivou volbou.