Hvad er den kritiske kappetykkelse for 316 rustfrit stålvarmere i 15% jernklorid ætsningsopløsning ved 55 grader med delvis nedsænkning

Den grundlæggende afvejning- af Aggressive Oxidising Chloride Service

FeCl3 (jern(III)chlorid) er en af ​​de mest ætsende forbindelser, der ofte anvendes til industriel ætsning og spildevandsbehandling. Ved en koncentration på 15 % og 55 °C har denne opløsning tre aggressive faktorer: høj koncentration af chloridioner (ca. 10 vægtprocent), en oxiderende ferri-ion, der opretholder et højt elektrokemisk potentiale og en sur pH (normalt 1,5-2,5). Dette miljø ligger langt uden for standarddriftsområdet for 316 rustfrit stål. Den kritiske pittemperatur for 316 i ferrichlorid er under 30°C, og ved 55°C er grubetæring sikker og hurtig. I denne service er kappetykkelsens funktion ikke at forhindre korrosion, men at tilvejebringe tilstrækkelig metalreserve til at kunne overleve den forventede grubetæring og ensartede angreb i en fastsat begrænset levetid. Den kritiske tykkelse er den minimale tykkelse, der kan perforeres i den nødvendige driftstid, og ud over hvilken det ekstra metal har aftagende afkast, da korrosionshastigheden er selvaccelererende.

Pitting i jernchloridopløsninger

Den sædvanlige test for pitting-modstand i rustfrit stål er ASTM G48 (ikke G46). Testen anvender 6% ferrichlorid ved 50°C. Under disse forhold viser 316 rustfrit stål generelt grubetæring efter 24-72 timer med grubedybder på 0,2-0,5 mm. Aggressiviteten er meget højere i 15% ferrichlorid ved 55°C. Laboratoriefund afslører, at 316 kuponer af rustfrit stål, der udsættes for 15 % FeCl3 ved 55 grader, udvikler synlige grubetæringer inden for 4-8 timer, med huldybder på 0,5-1,0 mm efter 100 timers kontinuerlig eksponering. Grubet er en autokatalytisk proces, når først en grube er påbegyndt, skaber hydrolysen af ​​jern(III)chlorid inde i gruben et meget surt, kloridrigt miljø, der begunstiger efterfølgende opløsning. Grubevæksthastigheden i dette miljø er lineær eller let accelererende, normalt 0,1-0,3 mm pr. dag med kontinuerlig eksponering. For et intermitterende varmelegeme, f.eks. 8 timer om dagen, 5 dage om ugen, er den effektive pitudviklingshastighed omkring 0,03-0,10 mm hver driftsdag. Den forventede maksimale brønddybde for en levetid på seks måneder (ca. . 500 driftstimer) er 2-5 mm.

Delvis nedsænkning og angreb i dampfasen

Behovet for delvis nedsænkning tilføjer en anden, mere farlig, fejlmekanisme. Væske--dampgrænsefladen er særlig alvorlig ved jern(III)chloridbrug, da fordampning koncentrerer saltet på kappeoverfladen over væskelinjen. Vandet fordamper, og jernchloridkrystallerne samler sig på den varme kappe. Disse væskende krystaller suger fugt op fra atmosfæren og skaber en mættet saltlage, der er mere ætsende end bulk-opløsningen. Væsketemperaturen er normalt lavere end temperaturen af ​​den del af kappen, der er udsat for dampen, fordi luftkølingen er mindre effektiv end væskekølingen. For et varmelegeme med en samlet nedsænkningslængde på 500 mm og 100 mm over væsken, kan den udsatte sektion være 80-100°C og den nedsænkede sektion 55-60°C. Ved disse højere temperaturer kan korrosionshastigheden i dampzonen være 5 til 10 gange større end i væsken. Gentagne feltinspektioner af delvist nedsænkede varmelegemer i jernkloridtanke har vist, at fejlen opstår ved væske-damp-grænsefladen og ikke i det helt nedsænkede område. Den kritiske tykkelse for denne service styres således af angrebshastigheden ved grænsefladen snarere end af bulkvæskekorrosion.

Termiske begrænsninger og grænsen for tykke vægge

Den termiske straf af tykke vægge er problematisk i ferrichloridservice, hvilket skaber en farlig feedback-loop. Hvis varmelegemet er delvist nedsænket, afkøles den udsatte del ved naturlig konvektion til luft. Luftens varmetransmissionskoefficient er kun 10-30 W/m2·K, men for væske er den 500-1000 W/m2·K. Den del, der er udsat, brænder ved en meget højere temperatur end den del, der er nedsænket. Brug af en tykkere væg (2,5 mm i stedet for 1,5 mm) øger temperaturen på den udsatte del med yderligere 15-25°C, fordi den større væg isolerer den indvendige modstandstråd. Korrosionshastigheden af ​​316 rustfrit stål i ferrichlorid-saltlage ved 120°C er cirka tre gange højere end ved 100°C. Den tykkere væg kan, selvom den er beregnet som en større reserve af metal, faktisk forringe levetiden, da den øger overfladetemperaturen og fremskynder angrebet. Termisk modellering tyder på, at et varmelegeme med en ydre diameter på 12 mm, der arbejder ved 8 W/cm² i 55°C jernchlorid med 100 mm udsat for luft ved 25°C, vil have den eksponerede sektion ved 95°C for en 1,2 mm væg, 110°C for en 1,8 mm væg og 125,5 mm for en væg. Korrosionshastigheden ved 125 grader er cirka fem gange højere end ved 95 grader. Så den effektive levetid øges ikke proportionalt med tykkelsen.

Kritiske tykkelsesanbefalinger for kortvarig service

På grund af det aggressive miljø og angrebets selvaccelererende-natur, skal designfilosofien for jernchloridvarmere ændres fra "lang levetid" til "forudsigelig kort levetid med planlagt udskiftning." Minimumstykkelse på 1,8-2,0 mm er nødvendig for en levetid på 6 måneder med 8 timers drift om dagen. Tykkelsen giver tilstrækkelig metalreserve til at modstå de forventede 2-5 mm gruber ved væske-damp-kontakten. De tyndere vægge 1,2-1,5 mm vil normalt perforere i løbet af 2-4 måneder. Tykkere vægge er ikke foreslået over 2,5 mm, da den termiske straf hæver den udsatte sektionstemperatur til det temperaturområde, hvor korrosion accelererer til det punkt, at det ekstra metal ikke giver nogen nettofordel. 3-måneders levetid er nok med en tykkelse på 1,5-1,6 mm. 1.2mm tykkelse kan være tilstrækkelig til en måneds levetid eller til procedurer med enkelt batch. Under alle omstændigheder skal varmelegemet ses som et forbrugsmateriale med en fastsat udskiftningsplan.

Alternative strategier, der slår tykkere vægge

316 rustfrit stål i enhver praktisk tykkelse vil ikke pålideligt modstå langvarig-brug i 15 % ferrichlorid ved 55°C med delvis nedsænkning. Det vigtige tekniske spørgsmål er ikke, hvilken tykkelse man skal bruge. Det er om 316 overhovedet kan bruges. Standardmateriale til jernchloridopvarmning er Titanium (Grade 2). Titan producerer en stabil passiv belægning i jern(III)chlorid og gruber ikke selv ved 80-90°C. En 1,0-1,2 mm titaniumkappe holder 10-20 gange længere end en 2,5 mm 316-kappe. Hvis titanium ikke er tilgængeligt, kan fremragende modstand opnås med fluorpolymerbelagte varmelegemer (PTFE eller PFA over en 316 kerne), der isolerer metallet fra opløsningen. Men hvis påføringen er sådan, at varmeren altid er helt nedsænket (ingen dampgrænseflade), så kan 316 ved 2,0 mm tykkelse holde 6 til 12 måneder, men belægningen eller titanium-muligheden er stadig bedre.

Konklusion: Kritisk tykkelse for definition af levetid

Den væsentlige kappetykkelse for 316 rustfrit stålvarmere i 15 % jernklorid ved 55 grader med delvis nedsænkning er 1,8-2,0 mm for en seks-måneders levetid under intermitterende drift. Denne tykkelse er et kompromis mellem nødvendigheden af ​​en metalreserve og den termiske acceleration af korrosion, der sker med tykkere vægge. Tynde vægge svigter for tidligt via punktering ved væske-gas-kontakten. Tykkere barrierer tilføjer intet liv, men angriber hurtigere og øger varmen i den udsatte sektion. Det mest afgørende råd er at undgå 316 SS i denne tjeneste, hvis der findes et alternativ. Hvor det er nødvendigt, skal ingeniøren angive den forventede levetid i måneder, de daglige driftstimer og længden af ​​den eksponerede dampzone. Denne information vil afgøre, om 316 er egnet, eller om der er behov for titanium eller coatede hylstre. Specifikationen bør desuden indeholde en påbudt inspektionsplan ved halvdelen af ​​den estimerede levetid for at overvåge grubedybder og afgøre, om tidlig udskiftning er påkrævet.