Која је максимална дозвољена дебљина зида омотача од нерђајућег челика 316 за електрични урањајући грејач у концентрацији азотне киселине изнад 20 процената на 80 степени Целзијуса?

Инжењери хемијских процеса који бирају нерђајући челик 316 као материјал омотача за електричне имерзионе грејаче у сервису азотне киселине за линије за кисељење метала, хемијску производњу и лабораторијске дигестивне системе, морају бити свесни и отпорности на корозију и термичких перформанси. Азотна киселина је јединствена међу минералним киселинама по томе што оксидира. Ово помаже да се развије пасивни слој на нерђајућем челику. Али 316 и даље може да пати од брзе корозије при концентрацијама већим од 20% и на температурама преко 60 степени, посебно ако је киселина контаминирана хлоридима или ако је температура површине омотача превисока. Дебљина зида омотача 316 утиче на количину корозије за радни век грејача и температуру површине при одређеној густини вати. У ствари, дебљи зидови повећавају температуру површине што може довести до брже корозије. На основу објављених дијаграма изокорозије и теренских података, у овом чланку је приказана максимална дозвољена дебљина зида за 316 омотача у употреби азотне киселине.

Отпорност на корозију нерђајућег челика 316 на азотну киселину
316 stainless steel is protected in high-concentration nitric acid by a passive chromium oxide coating. The corrosion rate is usually < 0.1 mm per year at normal temperature. The corrosion rate increases with temperature but the relation is not monotonic. At nitric acid concentrations of 20 to 40% and temperatures over 70°C, 316 is in the transpassive region where the protective coating breaks down locally, resulting in pitting and intergranular assault. At concentrations >60%, киселина постаје снажно оксидирајућа и пасивни филм се поново реформише смањујући стопу корозије. Најагресивнији регион за 316 у азотној киселини је око 30-50% концентрације на 80-100 степени где стопе корозије могу бити и до 0,5-1,0 мм годишње. Топлотни ток до урањајућег грејача доводи до тога да је температура површине омотача типично 20-50 о Ц изнад температуре масе киселине. Грејач у масној киселини од 80 степени при 8 В/цм² би имао температуру површине омотача од 105–115 степени, што је у високом опсегу за стопу корозије. Међутим, међуоднос између дебљине зида, густине у ватима и површинске температуре значи да дебљи омотач, повећавајући температуру површине за дату густину у ватима, заправо може скратити радни век, иако даје више почетног материјала.

Ефекат дебљине зида на брзину корозије и животни век
Са повећањем дебљине зида омотача од 316, додатни топлотни отпор расте линеарно са температуром спољашње површине за одређену густину у ватима и температуру масе киселине. Стопа корозије при 40% азотне киселине и запреминској температури од 80 степени је око 0,3 мм/годишње, температура површине омотача је 95 степени. На 110 степени стопа корозије се повећава на око 0,7 мм годишње. На 125 степени стопа се приближава 1,2 мм/годишње. Сада размотрите грејач са 6 В/цм$^2$ и дебљином зида од 1,0 мм. Температура површине је око 100 степени што даје стопу корозије од 0,4 мм годишње. Количина корозије од 0,4 мм у односу на дебљину од 1,0 мм омогућава 0,6 мм за структурални интегритет дајући сигуран радни век од око 2,5 године. Исти грејач са дебљином зида од 2,0 мм при истој густини вати има површинску температуру од отприлике 118 степени и отуда стопу корозије од 0,9 мм годишње. Са додатком корозије од 0,9 мм преко 2,0 мм, ово оставља 1,1 мм, што даје животни век од око 2,4 године - практично исти, али са двоструко већом оригиналном дебљином зида. Дебљи зид не продужава живот јер брже кородира. Овај парадоксалан закључак сугерише да за рад са азотном киселином постоји идеална дебљина зида која уравнотежује почетни материјал у односу на убрзање корозије. Прорачуни засновани на објављеним подацима о корозији указују на идеалну дебљину зида омотача 316 од око 1,2-1,4 мм за 40% азотне киселине на 80 степени са густином у ватима од 6-8 В/цм² како би се обезбедио највећи радни век.

Максимална препоручена дебљина зида за употребу са азотном киселином
Следећа табела даје препоручене максималне дебљине зидова плашта за електричне потопне грејаче у раду са азотном киселином. Вредности су за континуирани рад, чисту киселину без контаминације хлоридима и минимални циљни век трајања од две године. За потребе дужег радног века корисније је смањити густину Ватт-а него повећати дебљину зида.

Концентрација азотне киселине у расутом стању Температура киселине Препоручени опсег густине у ватима Максимална препоручена 316 Дебљина зида омотача Очекивана стопа корозије при максималној дебљини Процењени радни век при максималној дебљини 10 – 20% До 90 степени 8 – 12 – 12 – В/цм² 02.50 мм². 8 година 20 – 30% 60 – 80 степени 6 – 10 В/цм² 1,6 мм 0,30 – 0,50 мм/година 3 – 5 година 20 – 30% 80 – 95 степен 4 – 7 В/цм² 1,2 мм 0,50 – година 0,20 мм – 0,80 мм/год. 80 степен 4 – 6 В/цм² 1,2 мм 0,60 – 1,00 мм/годишње 1,5 – 2,5 године 30 – 50% 80 – 95 степен 2 – 4 В/цм² 1,0 мм 0,80 – 1,20 мм/годишње 1 – 2 године В/цм 1 – 2 година В до 50 – 8 степена до 6 –² 2,0 мм 0,10 – 0,20 мм/годишње 5 – 10 година 50 – 70% 80 – 100 степени 4 – 7 В/цм² 1,6 мм 0,20 – 0,35 мм/годишње 4 – 6 година
Преко 70% До 100 степени 8 – 12 В/цм² 2,5 мм Испод 0,10 мм/годишње Преко 10 година
Нерђајући челик 316 је маргиналан за азотну киселину у опсегу концентрација од 30-50% на температурама изнад 80 степени Ц, без обзира на дебљину зида. Инжењери у овим условима треба да размотре надоградњу на нерђајући челик са високим садржајем силицијума као што је Дуримет 20 или легура титанијума. Титанијум има високу отпорност на корозију у азотној киселини при свим концентрацијама и температурама са стопама корозије испод 0,05 мм/годишње чак и при температури кључања. Већа почетна цена титанијума је надокнађена дужим веком трајања и елиминацијом могућности катастрофалног квара услед локализоване корозије.

Модификације дизајна за продужени радни век без повећања дебљине зида
Три промене дизајна могу да продуже радни век у тешком окружењу са азотном киселином где је неопходна употреба омотача 316, а дебљина зида је ограничена термичким или производним ограничењима. Први и најефикаснији је да се минимизира густина вата. Смањење густине у ватима са 6 В/цм² на 3 В/цм² доводи до смањења температуре површине плашта за око 15-20 степени, што је довољно да смањи стопу корозије за 40-60% у транспасивном подручју. Компромис је већа дужина или пречник грејача. Друга измена је пасивизација површине омотача са јаком азотном киселином пре уградње. Потапање од 30 минута у 30% азотне киселине на 60°Ц смањује почетну брзину корозије за 20-30%, згушњава пасивни премаз и уклања површинску контаминацију гвожђем. Трећа промена је контрола хемије киселина. Концентрацију нитратних јона треба одржавати изнад 0,5%, па чак и контаминацију хлоридом у траговима-испод 50 ппм-треба избегавати да би се спречио прелазак на активну корозију. Ако се хлориди не могу контролисати, без обзира на дебљину зида, 316 је неприкладан. За важне примене азотне киселине, инжењери би требало да захтевају тестове корозије купоном са узорцима стварног материјала омотача у стварној процесној киселини на очекиваној површинској температури. Објављени статистички подаци о корозији могу бити водич, али стварна чистоћа киселине и контрола температуре могу веома варирати. Цена тестирања купона је мала у поређењу са ценом неочекиваног квара грејача који контаминира серију производа или затвара производну линију. Када наручујете грејаче за рад са азотном киселином, увек наведите очекивану дебљину зида и густину у ватима и затражите од произвођача предвиђену температуру површине и одговарајућу процењену стопу корозије. Ако добављач не може да испоручи прорачуне, онда му не треба дати апликацију.