در چه آستانه بحرانی غلظت و دما اسید سولفوریک، غلاف فولادی ضد زنگ 1.6 میلی‌متری 316 برای گرمایش مستمر غوطه‌وری بالای 15 وات بر سانتی‌متر مربع ناامن می‌شود؟

مهندسین فرآیند شیمی که بخاری‌های غوطه‌وری الکتریکی را برای خدمات اسید سولفوریک در خطوط ترشی فلز، تولید باتری و راکتورهای سنتز شیمیایی طراحی می‌کنند، اگر بخواهند فولاد ضد زنگ 316 را به‌عنوان ماده غلاف انتخاب کنند، باید محدودیت‌های غلظت-درجه‌ای که در آن شکست فیلم غیرفعال رخ می‌دهد، دقیقاً بدانند. از اسیدهای معدنی، تنها اسید سولفوریک نشان داده شده است که در غلظت های متوسط ​​(40 تا 60٪) به فولاد ضد زنگ 316 حداکثر خورنده است و در غلظت های پایین تر و بالاتر کاهش می یابد. یک استاندارد معمولی با ضخامت دیواره 1.6 میلی متری، مصالحه ای بین انتقال حرارت عملی و استحکام مکانیکی ایجاد می کند. اما عملکرد بالاتر از ترکیب مهم غلظت، دما و چگالی وات می تواند منجر به خوردگی فعال سریع شود و عمر غلاف را از سال ها به هفته ها کاهش دهد. در این مقاله محدودیت‌های دقیق غلاف 1.6 میلی‌متری 316 که برای گرمایش مستمر غوطه‌وری در تراکم‌های توان بیش از 15 وات بر سانتی‌متر ایمن نیست{13}}

تغییر از انفعال به فعالیت در 316 در معرض اسید سولفوریک
مقاومت به خوردگی فولاد ضد زنگ 316 در اسید سولفوریک به پایداری پوشش اکسید کروم غیرفعال بستگی دارد. فیلم غیرفعال در اسید سولفوریک رقیق در غلظت های زیر 15% تا 60 درجه پایدار است و نرخ خوردگی کمتر از 0.1 میلی متر در سال است. با افزایش غلظت تا 40{22}}60 درصد، تمایل کاهشی اسید بر فیلم غیرفعال غالب است و یک تغییر به سمت خوردگی فعال با نرخ 5-20 میلی متر در سال وجود دارد. در غلظت های بالای 70 درصد، اسید سولفوریک دوباره در حال اکسید شدن است، سطح 316 را مجدداً غیرفعال می کند و نرخ خوردگی را به زیر 0.5 میلی متر در سال کاهش می دهد. دمای سطح غلاف معمولاً 20 تا 50 درجه بالاتر از دمای اسید حجیم به دلیل شار حرارتی برای یک هیتر غوطه وری است. دمای سطح غلاف یک بخاری 15 W/cm^2 در اسید حجیم 50 درجه می تواند 80-90 درجه باشد. این منجر به دمای سطح بالاتر و تغییر انتقال غیرفعال به فعال به غلظت های پایین تر می شود. غلظت اسید توده ای 30 درصد که در دمای 50 درجه سانتیگراد ایمن است، اگر دمای محلی از 70 درجه سانتیگراد فراتر رود، می تواند در سطح غلاف تهاجمی باشد. از این رو، پنجره کار ایمن برای یک غلاف 1.6 میلی متری 316 توسط بالاترین دمای سطح تعیین می شود، نه دمای اسید حجیم.

آستانه بحرانی برای دیوار 1.6 میلی متری با 15 وات بر سانتی متر مربع
آزمایش خوردگی آزمایشی بر روی 316 نمونه با پرداخت سطحی معمولی غلاف‌های گرم کن (0.5 تا 0.8 میکرون Ra) آستانه‌های ضروری زیر را برای شروع خوردگی فعال به دست می‌دهد. غلظت بحرانی اسید سولفوریک برای تجزیه فیلم غیرفعال حدود 55 درصد در دمای سطح 60 درجه است. غلظت بحرانی در دمای سطح 70 درجه به 48٪ کاهش می یابد. در 80 درجه، آستانه به 42 درصد کاهش می یابد. در 90 درجه 38٪ است. در 100 درجه به 32 درصد کاهش می یابد. برای یک غلاف دیواری 1.6 میلی متری با 15 وات بر سانتی متر مربع، افزایش دما از اسید حجیم به سطح غلاف حدود 30-25 درجه در اسید گردش طبیعی است. اسید حجیم در 50 درجه و سطح غلاف در 75-80 درجه است. بنابراین غلظت بحرانی حدود 40٪ است. اگر غلظت اسید حجیم در این دما بالاتر از 40٪ باشد، خوردگی فعال در عرض چند روز شروع می شود. هنگامی که خوردگی فعال شروع شد، نرخ خوردگی معمولاً 5-15 میلی متر در سال است، بنابراین یک غلاف 1.6 میلی متری در 1-4 ماه سوراخ می شود. کمتر از غلظت بحرانی، در همان دمای سطح، نرخ خوردگی کمتر از 0.2 میلی متر در سال است که عمر مفید 5-8 سال را امکان پذیر می کند. این یک تغییر ناگهانی است، نه تدریجی. تغییر 2-3٪ در غلظت یا 5 درجه در دما می تواند نشان دهنده تفاوت بین سالهای کارکرد و خرابی فاجعه بار در عرض چند هفته باشد.

غلاف 1.6 میلی متری 316 در پاکت عملکرد ایمن - اسید سولفوریک
جدول زیر پاکت عملیاتی ایمن را برای یک غلاف فولادی ضد زنگ 1.6 میلی متری 316 با چگالی وات 15 وات بر سانتی متر{3}} توصیف می کند.

حداکثر دمای حجیم ایمن برای غلاف 1.6 میلی متر در 15 وات بر سانتی متر مربع غلظت انبوه غلاف اسید سولفوریک دمای سطح غلاف در حداکثر حجم ایمن نرخ خوردگی تخمینی عمر تخمینی در 1.6 میلی متر 0 – 10% 95 درجه 120 – 125 درجه 0.0151 – 0.010 – 2% 0.010 – 2% سال. 90 درجه 115 - 120 درجه 0.10 - 0.20 میلی متر / سال 6 - 10 سال 20 - 30٪ 80 درجه 105 - 110 درجه 0.15 - 0.30 میلی متر / سال 4 - 8 سال 30 - 35% 65 درجه 90 - 20 - 90 - 90 درجه سال 50 درجه 75 - 80 درجه 0.30 - 0.60 میلی متر / سال 2 - 4 سال 40 - 45% ناایمن در هر دما بیش از 65 درجه خوردگی فعال > 5 میلی متر در سال هفته ها تا ماه ها
45 - 60% در هر دما ایمن نیست هر گونه خوردگی فعال > 10 میلی متر در سال روزها تا هفته ها
60 - 70٪ 50 درجه 75 - 80 درجه 0.50 - 1.00 میلی‌متر در سال 1 - 2 سال (انتقالی) 80 درجه 105 - 110 درجه 0.20 - 0.40 میلی‌متر در سال 3 - 5 سال (دوباره-غیرفعال شده)
80 - 93٪ 100 درجه 125 - 130 درجه 0.10 - 0.20 میلی متر / سال 6 - 10 سال
بیش از 93٪ 120 درجه 145 - 150 درجه 0.05 - 0.10 میلی متر در سال 10 تا 15 سال
برای غلظت اسید حجیم از 40 تا 60 درصد، هیچ ترکیبی از دمای حجیم و چگالی وات، غلاف 1.6 میلی‌متری 316 ایمن را برای سرویس مداوم ایجاد نمی‌کند. فیلم غیرفعال در هر دمای بالاتر از 30 درجه ناپایدار است و دمای بالای سطح غلاف ناشی از جریان گرما خوردگی فعال را تضمین می کند. در این محدوده غلظت، مهندسان باید آلیاژ مقاوم‌تری در برابر خوردگی مانند آلیاژ 20 (Carpenter 20) یا آلیاژ 825 تعیین کنند، یا از فناوری گرمایش غیرفلزی مانند گرم‌کننده غوطه‌وری گرافیت یا کاربید سیلیکون استفاده کنند. به عنوان مثال 38٪ اسید سولفوریک در دمای 55 درجه توده، در لبه پاکت امن، یک اختلال جزئی فرآیند می تواند غلاف را به ناحیه فعال فشار دهد. مهندسان باید حاشیه ایمنی حداقل 5 درجه کمتر از حداکثر دمای ایمن که در جدول مشخص شده است اعمال کنند.

اصلاحات طراحی برای گسترش پاکت عملیاتی ایمن
هنگامی که شرایط فرآیند به آستانه‌های بحرانی برای یک غلاف 1.6 میلی‌متری 316 نزدیک می‌شود، سه تنظیم طراحی می‌تواند محیط کار ایمن را بدون تغییر مواد غلاف گسترش دهد. اولین مورد این است که چگالی وات را به حداقل برسانید. اگر به جای 15 وات بر سانتی متر مربع با 8 وات بر سانتی متر مربع کار کنیم، دمای سطح غلاف حدود 15 تا 20 درجه کاهش می یابد. بخاری در 15 وات بر سانتی متر مربع در اسید سولفوریک 38 درصد در دمای 60 درجه (دمای سطح 85 تا 90 درجه) خطرناک است و در 8 وات بر سانتی متر مربع (دمای سطح 70 تا 75 درجه) ایمن است. معامله با طول یا قطر بخاری بزرگتر است. تنظیم دوم افزایش جریان اسید در سطح غلاف است. گردش اجباری توسط یک پمپ یا یک همزن، ضریب انتقال حرارت را از 200 تا 500 وات بر متر مربع کلوین در همرفت طبیعی به 1000 تا 2000 وات بر متر مربع کلوین در جریان آشفته افزایش می‌دهد و افزایش دمای سطح را 40 تا 60 درصد کاهش می‌دهد. بنابراین بخاری که 30 درجه سانتیگراد افزایش اسید راکد ایجاد می کند ممکن است فقط 12 درجه سانتیگراد در اسید گردشی خوب تولید کند و سطح غلاف را زیر سطح بحرانی نگه دارد. سومین تغییر، افزودن یک عامل اکسید کننده به اسید است. انتقال از حالت غیرفعال به حالت فعال را می توان با حفظ پتانسیل اکسید کننده محلول با غلظت ناچیز (0.1-0.5٪) اسید نیتریک یا پراکسید هیدروژن به دماها و غلظت های بالاتر منتقل کرد. اما این به دلیل محدودیت های فرآیند همیشه قابل اجرا نیست. در تاسیسات حیاتی که خرابی بخاری پیش بینی نشده ممکن است باعث تلفات قابل توجه تولید شود، مهندسان باید یک پروب نظارت بر خوردگی نصب کنند - یک کوپن کوچک 316 که به صورت الکترونیکی به غلاف بخاری متصل می شود. افزایش ناگهانی جریان گالوانیکی بین پروب و الکترود مرجع نشان دهنده خرابی اولیه فیلم غیرفعال است و به اپراتور اجازه می دهد تا قدرت را کاهش دهد یا محتوای اسید را تغییر دهد تا از آسیب غلاف جلوگیری کند. هنگام تعیین هیترها برای سرویس اسید سولفوریک، همیشه غلظت توده و محدوده دمای توده مورد انتظار را به تامین کننده ذکر کنید و دمای سطح غلاف محاسبه شده را برای چگالی وات پیشنهادی و ضخامت دیواره درخواست کنید. اگر سازنده نمی تواند این محاسبه را انجام دهد، به برنامه اعتماد نکنید. تفاوت بین عملکرد ایمن و خرابی فاجعه بار در اسید سولفوریک گاهی کمتر از 10 درجه دمای سطح غلاف است و تجزیه و تحلیل حرارتی دقیق برای مشخصات بخاری قابل اعتماد مهم است.