Ved hvilken specifik kombination af kaustisk koncentration og kappeoverfladetemperatur går en 1,6 millimeter 316 rustfri stålkappe over fra passiv til aktiv korrosion i natriumhydroxidservice til CIP-systemer?

Procesingeniører, der bygger elektriske dyppevarmere til rene-in-place-systemer til fødevareforarbejdning, farmaceutisk fremstilling og drikkevareproduktion, bruger natriumhydroxid som det vigtigste rengøringskemikalie. Typiske CIP-løsninger består af 1-3% NaOH ved 70-85 grader. I denne situation dannes den passive film, og generelt er korrosionsbestandigheden af ​​316 rustfrit stål god. Ved højere koncentrationer eller højere overfladetemperaturer fra varmelegemets watt-densitet kan den passive film imidlertid nedbrydes, og aktiv korrosion kan forekomme med hastigheder, der overstiger 1 millimeter pr. år. Typiske vægtykkelser på CIP-varmere er 1,6 mm, hvilket giver et rimeligt kompromis mellem korrosionsgodtgørelse og termisk reaktionsevne. Papiret fastslår den kaustiske koncentration og kappens overfladetemperatur, hvor en 1,6 mm 316 kappe skifter fra passiv til aktiv korrosion i natriumhydroxid-drift.

316 Overgang i natriumhydroxid fra passiv til aktiv
Natriumhydroxid er unik blandt alkaliske opløsninger ved, at korrosionsadfærden af ​​316 rustfrit stål udviser en klar passiv -aktiv overgang, som er afhængig af både koncentration og temperatur. I fortyndede opløsninger under 5 % NaOH og temperaturer under 80oC forbliver 316 passiv med korrosionshastigheder på mindre end 0,05 mm pr. år. Når koncentrationen vokser eller temperaturen stiger, bliver den passive film ustabil. Ved 10% NaOH er overgangstemperaturen omkring 90 grader. Det falder til 75C 20% NaOH. Ved 30% NaOH falder værdien til 60 grader. Ved 50 % NaOH, over 40 grader, forsvinder det passive område fuldstændigt. Kappens overfladetemperatur er typisk 15-30 grader højere end bulk-opløsningstemperaturen for en el-patron på grund af den påførte watt-tæthed. Et CIP-system med 3% NaOH og 80 graders bulktemperatur med et varmelegeme på 8 W/cm² giver en kappeoverfladetemperatur på 95-105 grader. Den passive belægning på 316 kan nedbrydes ved denne overfladetemperatur, og aktiv korrosion forekommer med hastigheder på 0,5-2 mm om året. Aktiv korrosion vil punktere en 1,6 mm kappe på 1-3 år, men passiv drift vil give 10+ års levetid.

Kritiske overgangstærskler for 1,6 mm kappe
Elektrokemisk testning af 316 prøver i natriumhydroxidopløsninger ved CIP-servicerelaterede temperaturer har vist, at følgende kombinationer af kaustisk koncentration og kappeoverfladetemperatur vil forårsage den passive-til-aktive overgang for en 1,6 mm væg. Værdierne er for standard smedet overfladepolering og en typisk watt-densitet på 6-8 W/cm².

Natriumhydroxidkoncentration (vægt %) Passiv til aktiv overgangstemperatur Minimum kappeoverfladetemperatur for aktiv korrosion Sikker bulktemperatur for 1,6 mm kappe ved 8 W/cm2 (25 graders stigning) Forventet korrosionshastighed i aktivt regime
1 – 2% >100 grader 100 grader 75 grader 0,3 – 0,7 mm/år
2 – 3 % 95 – 100 grader 95 – 100 grader Op til 70 – 75 grader 0,5 – 1,0 mm/år
3 – 5 % 85 – 95 grader 85 – 95 grader Op til 60 – 70 grader 0,8 – 1,5 mm/år
5 – 7 % 75 – 85 grader 75 – 85 grader Op til 50 – 60 grader 1,0 – 2,0 mm/år
7 – 10 % 65 – 75 grader 65 – 75 grader Op til 40 – 50 grader 1,5 – 3,0 mm/år
10 – 15 % 55 – 65 grader 55 – 65 grader Op til 30 – 40 grader 2,0 – 4,0 mm/år
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/år
For et CIP-system med en bulktemperatur på 80 grader og 2 % NaOH, der anvender en 1,6 mm kappe ved 8 W/cm2, er kappens overfladetemperatur omkring 105 grader, højere end overgangstærsklen på 100 grader. Der vil opstå aktiv korrosion, og kappen kan perforere i løbet af 1-2 år. Sænkning af watt-tætheden til 4 W/cm² reducerer overfladetemperaturstigningen til 12-15 grader, mens kappetemperaturen forbliver på 92-95 grader, hvilket er under tærsklen på 100 grader. Denne ændring giver mulighed for 5-10 års levetid.

1,6 millimeter kappe Sikker betjeningskonvolut i kaustisk CIP-service
Følgende tabel giver den maksimalt tilladte bulk natriumhydroxidkoncentration for en 1,6 mm 316 kappe ved forskellige bulktemperaturer og watt-densiteter. For visse koncentrationsværdier holdes kappens overfladetemperatur mindst 5 grader under den passive-til-aktive overgangstemperatur.

Bulk Solution Temperatur Watt Densitet 4 W/cm2 (12 graders stigning) Watt Densitet 6 W/cm2 (18 graders stigning) Watt Densitet 8 W/cm2 (25 graders stigning) Watt Densitet 10 W/cm2 (32 graders stigning) 60 grader Sikker til 10 % NaOH Sikker op til 7 % NaOH Sikker til 7 % NaOH Sikker % NaOH 3 65 grader Sikker til 8 % NaOH Procent sikker til 5 NaOH Sikker til 3 % NaOH Sikker til 2 % NaOH 70 grader Sikker til 6 % NaOH Sikker op til 4 % NaOH Sikker op til 2 % NaOH Ikke sikker over 1 % 75oC Ikke sikker over 5 % NaOH max 3 %, sikker NaOH Sikker op til 8 % Sikker NaOH 5 % Sikker op til 8 % op til 4 % NaOH sikker op til 2 % NaOH Ikke sikker over 1,5 % Ikke sikker 85 grader Sikker op til 3 % NaOH Op til 1,5 % NaOH sikker Ikke sikker Ikke sikker
90 grader Sikker op til 2 % NaOH Ikke sikker over 1 % Ikke sikker Ikke sikker
For en typisk CIP-cyklus ved 80 grader med 2 % NaOH er en 1,6 mm 316 kappe kun sikker ved watt-densiteter på 4 W/cm2 eller mindre. Ved en industriel watt-densitet på 8 W/cm² vil varmelegemet være i det aktive korrosionsregime, og en begrænset levetid på 1-3 år bør forudsiges frem for de ofte antaget 5-10 år.

Passive Operation Designændringer
Tre designændringer kan foretages for at bevare passiv drift uden at ændre kappematerialet under CIP-procesforhold, der ellers ville tvinge en 1,6 mm 316 kappe til aktiv korrosion (f.eks. kaustiske koncentrationer eller temperaturer): Den første metode er at øge den opvarmede længde af elementet for at reducere watt-tætheden. Fordobling af længden (1 m til 2 m) reducerer kappens overfladetemperaturstigning fra 25 grader til 12 grader og vender tilbage til passiv funktion, når watt-tætheden reduceres fra 8 W/cm2 til 4 W/cm2 . Den anden justering er at forbedre cirkulationen over varmelegemets overflade. For samme watt-tæthed kan overfladetemperaturstigningen reduceres til 8-10 grader ved en hastighed på 2-3 m/s ved hjælp af en CIP-cirkulationspumpe. Den sidste ændring er tilsætning af en korrosionsinhibitor til den kaustiske opløsning. Silikater eller fosfater ved 100 til 200 ppm kan stabilisere den passive film på 316 og øge overgangstemperaturen med 10 til 20 grader. Men disse ændringer vil sandsynligvis ikke være nok til CIP-systemer, der kræver 5% NaOH ved 80oC. I disse tilfælde bør ingeniøren specificere brugen af ​​en nikkel-baseret legering, såsom Alloy 600 eller Alloy 825, som er passive i kaustiske opløsninger op til 50 % koncentration ved temperaturer over 100 grader. Omkostningerne ved opgradering fra 316 til Alloy 825 er typisk 2-3 gange større, men levetiden øges fra 1-2 år til 10-15 år. Fortæl altid leverandøren, når du specificerer varmelegemer til CIP-service: den maksimale koncentration af kaustikum, bulktemperaturen og den forventede cyklustid. Når en producent foreslår 316 for 5 % NaOH ved 85 grader C uden hensyntagen til passiv-aktiv overgang eller derating for watt-densitet, er det ikke passende teknisk rådgivning. Skiftet fra passiv til aktiv korrosion i natriumhydroxid er brat og en funktion af temperaturen. En 316 kappe på 1,6 mm tykkelse, der fungerer lige under tærsklen, kan vare ved i ti år; en, der opererer lige efter det, kan mislykkes om 18 måneder. Nøjagtig termisk analyse af kappens overfladetemperatur er nødvendig for pålidelig specifikation.