При каком конкретном сочетании концентрации каустика и температуры поверхности оболочки оболочка из нержавеющей стали 316 толщиной 1,6 мм переходит от пассивной к активной коррозии при работе с гидроксидом натрия в системах безразборной мойки?

Инженеры-технологи, создающие погружные электронагреватели для систем очистки-на месте-для пищевой, фармацевтической промышленности и производства напитков, используют гидроксид натрия в качестве основного чистящего химиката. Типичные растворы CIP состоят из 1–3% NaOH при температуре 70–85 градусов. В этой ситуации образуется пассивная пленка, и в целом нержавеющая сталь 316 обладает хорошей коррозионной стойкостью. Однако при более высоких концентрациях или более высоких температурах поверхности из-за плотности мощности нагревателя пассивная пленка может разрушиться, и может возникнуть активная коррозия со скоростью, превышающей 1 миллиметр в год. Типичная толщина стенок нагревателей CIP составляет 1,6 мм, что обеспечивает разумный компромисс между допуском на коррозию и термочувствительностью. В статье установлены концентрация щелочи и температура поверхности оболочки, при которой оболочка из стали 316 толщиной 1,6 мм переходит от пассивной к активной коррозии при эксплуатации с гидроксидом натрия.

316 Переход в гидроксиде натрия от пассивного состояния к активному
Гидроксид натрия уникален среди щелочных растворов тем, что коррозионное поведение нержавеющей стали 316 демонстрирует четкий пассивный-активный переход, который зависит как от концентрации, так и от температуры. В разбавленных растворах с содержанием NaOH менее 5% и температурах ниже 80°C 316 остается пассивным со скоростью коррозии менее 0,05 мм в год. По мере роста концентрации или повышения температуры пассивная пленка становится нестабильной. При 10% NaOH температура перехода составляет около 90 градусов. Она снижается до 75°С с 20% NaOH. При 30% NaOH значение падает до 60 градусов. При 50% NaOH, при температуре выше 40 градусов пассивный диапазон полностью исчезает. Температура поверхности оболочки обычно на 15–30 градусов выше, чем температура основного раствора для погружного нагревателя из-за приложенной плотности ватт. Система CIP с 3% NaOH и температурой объема 80 градусов с нагревателем 8 Вт/см² обеспечивает температуру поверхности оболочки 95-105 градусов. Пассивное покрытие на 316 может разрушиться при такой температуре поверхности, и активная коррозия происходит со скоростью 0,5–2 мм в год. Активная коррозия пробивает оболочку толщиной 1,6 мм за 1–3 года, однако пассивная эксплуатация обеспечивает срок службы 10+ лет.

Критические пороги перехода для оболочки толщиной 1,6 мм
Электрохимические испытания 316 образцов в растворах гидроксида натрия при температурах, связанных с CIP-мойкой, показали, что следующие комбинации объемной концентрации каустика и температуры поверхности оболочки вызывают переход от пассивного -к-активному для стенки толщиной 1,6 мм. Значения указаны для стандартной полировки поверхности методом штамповки и типичной плотности ватт 6–8 Вт/см².

Концентрация гидроксида натрия (мас. %) Температура перехода от пассивного к активному Минимальная температура поверхности оболочки для активной коррозии Безопасная объемная температура для оболочки толщиной 1,6 мм при 8 Вт/см2 (подъем на 25 градусов) Ожидаемая скорость коррозии в активном режиме
1 – 2% >100 градусов 100 градусов 75 градусов 0,3 – 0,7 мм/год
2 – 3% 95 – 100 градусов 95 – 100 градусов До 70 – 75 градусов 0,5 – 1,0 мм/год
3 – 5% 85 – 95 градусов 85 – 95 градусов До 60 – 70 градусов 0,8 – 1,5 мм/год
5 – 7% 75 – 85 градусов 75 – 85 градусов До 50 – 60 градусов 1,0 – 2,0 мм/год
7 – 10% 65 – 75 градусов 65 – 75 градусов До 40 – 50 градусов 1,5 – 3,0 мм/год
10 – 15% 55 – 65 градусов 55 – 65 градусов До 30 – 40 градусов 2,0 – 4,0 мм/год
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 мм/год
Для системы CIP с объемной температурой 80 градусов и 2% NaOH, использующей оболочку толщиной 1,6 мм при 8 Вт/см2, температура поверхности оболочки составляет около 105 градусов, что выше порога перехода в 100 градусов. Через 1-2 года произойдет активная коррозия, и оболочка может перфорироваться. Снижение плотности ватт до 4 Вт/см² снижает повышение температуры поверхности до 12–15 градусов, в то время как температура оболочки остается на уровне 92–95 градусов, что ниже порога в 100 градусов. Такое изменение обеспечивает срок службы 5-10 лет.

Безопасный рабочий диапазон оболочки 1,6 мм при работе с каустической CIP
В следующей таблице приведены максимально допустимые объемные концентрации гидроксида натрия для оболочки из 316 толщиной 1,6 мм при различных объемных температурах и плотности ватт. Для определенных значений концентрации температура поверхности оболочки поддерживается как минимум на 5 градусов ниже температуры перехода от пассивного-к-активному состоянию.

Температура основного раствора Плотность ватт 4 Вт/см2 (увеличение на 12 градусов) Плотность ватт 6 Вт/см2 (повышение на 18 градусов) Плотность ватт 8 Вт/см2 (повышение на 25 градусов) Плотность ватт 10 Вт/см2 (повышение на 32 градуса) От 60 градусов Безопасно до 10 % Безопасно для NaOH до 7 % Безопасно для NaOH до 5 % Безопасно для NaOH до 3 % NaOH Безопасно для 65 градусов до 8 % NaOH В процентах безопасно до 5% NaOH Безопасно до 3% NaOH Безопасно до 2% NaOH 70 градусов Безопасно до 6% NaOH Безопасно до 4% NaOH Безопасно до 2% NaOH Небезопасно более 1% 75oC Небезопасно выше 5% NaOH Макс. 3%, безопасно NaOH Безопасно до 1,5% NaOH Небезопасно до 1% 80 градусов Безопасно до 4% NaOH безопасно до 2% NaOH Небезопасно выше 1,5% Небезопасно 85 градусов Безопасно до 3% NaOH До 1,5% NaOH безопасно Небезопасно Небезопасно
90 градусов Безопасно до 2% NaOHНебезопасно выше 1% Небезопасно Небезопасно
Для типичного цикла CIP при 80 градусах с 2% NaOH оболочка из 316 толщиной 1,6 мм безопасна только при плотности ватт 4 Вт/см2 или меньше. При промышленной плотности ватт 8 Вт/см² нагреватель будет находиться в режиме активной коррозии и следует прогнозировать ограниченный срок службы 1–3 года, а не часто предполагаемые 5–10 лет.

Изменения в конструкции пассивных операций
Чтобы сохранить пассивную работу без изменения материала оболочки в условиях процесса CIP, которые в противном случае привели бы к активной коррозии оболочки толщиной 1,6 мм 316 (например, из-за концентраций каустика или температуры), можно внести три конструктивные изменения: Первый метод заключается в увеличении длины нагреваемого элемента для снижения удельной мощности. Удвоение длины (с 1 м до 2 м) уменьшает повышение температуры поверхности оболочки с 25 до 12 градусов и возвращает к пассивному функционированию при снижении удельной мощности с 8 Вт/см2 до 4 Вт/см2 . Вторая регулировка заключается в улучшении циркуляции по поверхности нагревателя. При той же плотности ватт повышение температуры поверхности можно снизить до 8–10 градусов при скорости 2–3 м/с с помощью циркуляционного насоса CIP. Последним изменением является добавление ингибитора коррозии в щелочной раствор. Силикаты или фосфаты в концентрации от 100 до 200 частей на миллион могут стабилизировать пассивную пленку на 316 и повысить температуру перехода на 10-20 градусов. Но этих изменений, вероятно, будет недостаточно для систем CIP, которым требуется 5% NaOH при температуре 80°C. В этих случаях инженер должен указать использование сплава на основе никеля-, такого как сплав 600 или сплав 825, который пассивен в щелочных растворах с концентрацией до 50% при температуре выше 100 градусов. Стоимость перехода с 316 на сплав 825 обычно в 2-3 раза выше, но срок службы увеличивается с 1-2 лет до 10-15 лет. При выборе нагревателей для безразборной мойки всегда сообщайте поставщику: максимальную концентрацию щелочи, объемную температуру и ожидаемое время цикла. Когда производитель предлагает 316 для 5% NaOH при 85 градусах Цельсия без учета пассивно-активного перехода или снижения мощности в ваттах, это неуместная техническая рекомендация. Переход от пассивной коррозии к активной в гидроксиде натрия является резким и зависит от температуры. Оболочка из 316 толщиной 1,6 мм, действующая чуть ниже порога, может сохраняться в течение десяти лет; один, работающий сразу за ним, может выйти из строя через 18 месяцев. Точный термический анализ температуры поверхности оболочки необходим для получения надежных спецификаций.