Jaká je kritická tloušťka pláště pro ohřívače 316 z nerezové oceli v 15% roztoku na leptání chloridu železitého při 55 stupních s částečným ponořením

Základní sleva-za službu Aggressive Oxidising Chloride Service

FeCl3 (chlorid železitý) je jednou z nejžíravějších sloučenin často používaných při průmyslovém leptání a čištění odpadních vod. Při 15% koncentraci a 55°C má tento roztok tři agresivní faktory: vysokou koncentraci chloridových iontů (asi 10% hmotnosti), oxidující železitý iont udržující vysoký elektrochemický potenciál a kyselé pH (obvykle 1,5-2,5). Toto prostředí je zcela mimo standardní provozní rozsah nerezové oceli 316. Kritická důlková teplota pro 316 v chloridu železitém je pod 30 °C, takže při 55 °C je důlková koroze jistá a rychlá. V této službě není funkcí tloušťky pláště zabránit korozi, ale poskytnout dostatečnou kovovou rezervu, aby byla schopna přežít očekávanou důlkovou korozi a rovnoměrné napadení po stanovenou omezenou životnost. Kritická tloušťka je minimální tloušťka, kterou lze perforovat za požadovanou dobu provozu a po jejímž překročení má přídavný kov klesající návratnost, protože rychlost koroze se samourychluje.

Pitting v roztocích chloridu železitého

Obvyklý test odolnosti korozivzdorných ocelí proti důlkové korozi je ASTM G48 (ne G46). Test využívá 6% chlorid železitý při 50 °C. Za těchto podmínek nerezová ocel 316 obecně vykazuje důlkovou korozi po 24-72 hodinách s hloubkou důlku 0,2-0,5 mm. Agresivita je mnohem vyšší u 15% chloridu železitého při 55°C. Laboratorní nálezy ukazují, že u 316 vzorků z nerezové oceli vystavených 15% FeCl3 při 55 stupních se během 4-8 hodin vytvoří viditelné důlky, přičemž hloubka důlků dosahuje 0,5-1,0 mm po 100 hodinách nepřetržité expozice. Důlková jamka je autokatalytický proces, jakmile je jáma zahájena, hydrolýza chloridu železitého v jámě vytváří velmi kyselé prostředí bohaté na chloridy, které podporuje následné rozpouštění. Rychlost růstu jamek v tomto prostředí je lineární nebo mírně zrychlující, obvykle 0,1-0,3 mm za den nepřetržité expozice. U přerušovaného ohřívače, jako je 8 hodin denně, 5 dní v týdnu, je efektivní rychlost rozvoje jámy asi 0,03-0,10 mm každý provozní den. Projektovaná maximální hloubka jámy pro šestiměsíční životnost (přibližně. 500 provozních hodin) je 2–5 mm.

Částečné ponoření a útok v parní fázi

Potřeba částečného ponoření přidává druhý, nebezpečnější mechanismus selhání. Rozhraní mezi kapalnou-parou je zvláště náročné v provozu s chloridem železitým, protože odpařování koncentruje sůl na povrchu pláště nad vedením kapaliny. Voda se odpaří a na horkém plášti se hromadí krystaly chloridu železitého. Tyto rozplývavé krystaly nasávají vlhkost z atmosféry a vytvářejí nasycenou solanku, která je korozívnější než sypký roztok. Teplota kapaliny je obvykle nižší než teplota části pláště vystavené páře, protože chlazení vzduchem je méně účinné než chlazení kapalinou. U ohřívače s celkovou délkou ponoru 500 mm a 100 mm nad kapalinou může mít exponovaná část 80-100°C a ponořená část 55-60°C. Při těchto vyšších teplotách může být rychlost koroze v parní zóně 5 až 10krát vyšší než v kapalině. Opakované terénní kontroly částečně ponořených ohřívačů v nádržích s chloridem železitým ukázaly, že k poruše dochází na rozhraní kapalina-pára a ne v oblasti zcela ponořené. Kritická tloušťka pro tuto službu je tedy řízena rychlostí napadení na rozhraní spíše než hromadnou kapalnou korozí.

Tepelná omezení a mez tlustých stěn

Tepelná penalizace silných zdí je problematická v provozu na bázi chloridu železitého, což vytváří nebezpečnou zpětnou vazbu. Pokud je ohřívač částečně ponořen, exponovaná část se ochladí přirozenou konvekcí na vzduch. Součinitel prostupu tepla vzduchu je jen 10-30 W/m2·K, ale pro kapalinu je to 500-1000 W/m2·K. Část, která je vystavena, hoří při mnohem vyšší teplotě než část ponořená. Použití silnější stěny (2,5 mm místo 1,5 mm) zvyšuje teplotu exponované části o dalších 15-25°C, protože větší stěna izoluje vnitřní odporový drát. Rychlost koroze nerezové oceli 316 v solance chloridu železitého při 120 °C je přibližně trojnásobná než při 100 °C. Silnější stěna, i když je zamýšlena jako větší rezerva kovu, může ve skutečnosti snížit životnost, protože zvyšuje povrchovou teplotu a urychluje napadení. Tepelné modelování naznačuje, že ohřívač o vnějším průměru 12 mm pracující při 8 W/cm² v 55 °C chloridu železitého se 100 mm vystaveným vzduchu při 25 °C bude mít exponovanou část při 95 °C pro 1,2 mm stěnu, 110 °C pro 1,8 mm stěnu a 125 °C pro 2,5 mm stěnu. Rychlost koroze při 125 stupních je přibližně pětkrát vyšší než při 95 stupních. Efektivní životnost se tedy nezvyšuje úměrně tloušťce.

Doporučená kritická tloušťka pro krátkodobý provoz

Kvůli agresivnímu prostředí a samo{0}}urychlující se povaze útoku se musí filozofie návrhu ohřívačů chloridu železitého změnit z „dlouhé životnosti“ na „předvídatelnou krátkou životnost s plánovanou výměnou“. Pro životnost 6 měsíců při 8 hodinách provozu denně je nutná minimální tloušťka 1,8-2,0 mm. Tloušťka poskytuje dostatečnou kovovou rezervu, aby odolala očekávané důlkové korozi 2-5 mm na kontaktu kapalina-pára. Tenčí stěny 1,2-1,5 mm se obvykle perforují za 2-4 měsíce. Silnější stěny se nedoporučují nad 2,5 mm, protože tepelná penalizace zvyšuje teplotu exponované sekce do teplotního rozsahu, kde se koroze zrychluje do té míry, že přídavný kov neposkytuje žádnou čistou výhodu. Životnost 3 měsíce je dostačující, tloušťka 1,5–1,6 mm. 1.2 mm může být dostatečná pro životnost jednoho měsíce nebo pro jednodávkové postupy. Za všech okolností je třeba na ohřívač pohlížet jako na spotřební materiál se stanoveným plánem výměny.

Alternativní strategie, které překonávají silnější zdi

Nerezová ocel 316 v jakékoli praktické tloušťce spolehlivě nevydrží dlouhodobé-používání v 15% chloridu železitém při 55 °C s částečným ponořením. Důležitou technickou otázkou není, jakou tloušťku použít. Jde o to, zda lze 316 vůbec použít. Standardním materiálem pro ohřev chloridem železitým je titan (třída 2). Titan vytváří stabilní pasivní povlak v chloridu železitém a netvoří důlky ani při 80-90°C. Titanové pouzdro 1,0-1,2 mm vydrží 10-20krát déle než pouzdro 2,5 mm 316. Pokud není k dispozici titan, lze dosáhnout vynikající odolnosti pomocí ohřívačů potažených fluoropolymerem (PTFE nebo PFA na jádru 316), které izolují kov z roztoku. Pokud je však použití takové, že je ohřívač vždy zcela ponořen (žádné rozhraní páry), pak 316 při tloušťce 2,0 mm může vydržet 6 až 12 měsíců, ale varianta s povlakem nebo titanem je stále lepší.

Závěr: Kritická tloušťka pro definici životnosti

Základní tloušťka pláště ohřívačů z nerezové oceli 316 v 15% chloridu železitém při 55 stupních s částečným ponořením je 1,8-2,0 mm pro šestiměsíční životnost při přerušovaném provozu. Tato tloušťka je kompromisem mezi nutností kovové rezervy a tepelným zrychlením koroze, ke kterému dochází u silnějších stěn. Tenké stěny předčasně selžou v důsledku proražení v kontaktu kapalina-plyn. Silnější bariéry nepřidávají život, ale rychlost útoku a zvyšují teplo exponovaného úseku. Nejdůležitější radou je vyhnout se 316 SS v této službě, pokud existuje nějaká alternativa. Je-li to požadováno, technik poskytne projektovanou životnost v měsících, denní hodiny provozu a délku exponované parní zóny. Tato informace určí, zda je 316 vhodný nebo zda jsou zapotřebí titanové nebo potažené pláště. Specifikace by měla navíc obsahovat nařízený plán inspekcí v polovině odhadované životnosti, aby bylo možné sledovat hloubku jámy a určit, zda je nutná včasná výměna.