Dưới sự kết hợp cụ thể nào giữa tiềm năng bảo vệ anốt ứng dụng và nhiệt độ vỏ bọc, ống gia nhiệt bằng thép không gỉ 316 trong 50% xút ăn da (NaOH) ở 120 độ vẫn thụ động mà không bị ăn mòn do ứng suất ăn da, ăn mòn

Kiểm soát điện hóa trong việc ngăn chặn hiện tượng ăn mòn

Vết nứt do ăn mòn ứng suất (CSCC, hoặc hiện tượng giòn ăn da) là một dạng hư hỏng quan trọng đối với ống gia nhiệt điện có vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 trong dịch vụ xút (NaOH) ở nhiệt độ cao (ví dụ: thiết bị bay hơi, bộ tập trung hoặc bộ gia nhiệt đường truyền xút). Caustic SCC diễn ra trong dung dịch NaOH nóng ở nhiệt độ trên khoảng 70-80 độ, với độ nhạy tăng lên đáng kể theo cả nhiệt độ và nồng độ xút. Điều này không giống như clorua SCC, đòi hỏi sự kết hợp đặc biệt giữa nhiệt độ và nồng độ clorua. Ở 50% NaOH (nồng độ công nghiệp điển hình) ở 120 độ, 316 rất nhạy cảm với CSCC trong điều kiện ăn mòn tự do, với vết nứt phát triển sau vài ngày đến vài tuần. Có thể tránh hoàn toàn CSCC bằng cách sử dụng biện pháp bảo vệ anốt được áp dụng (tức là kiểm soát điện thế của kim loại trong vùng thụ động). Thông số quan trọng là điện thế ứng dụng đối với điện cực tham chiếu (thường là Ag/AgCl). Phạm vi thụ động của 316 trong NaOH 50% ở 120 độ là khoảng -200 mV đến +200 mV so với Ag/AgCl. Vết nứt xảy ra ở điện thế thấp hơn -200 mV (vùng hoạt động) hoặc cao hơn +200 mV (vùng xuyên qua). Bài viết này định lượng các cửa sổ tiềm năng bảo vệ anốt để ngăn ngừa CSCC ở các nhiệt độ và nồng độ ăn da khác nhau.

Cơ chế gây ra vết nứt ăn mòn do ứng suất ăn da và cách ngăn ngừa nó

Caustic SCC của thép không gỉ 316 là sự hòa tan có chọn lọc của lớp phủ thụ động ở ranh giới hạt (nứt giữa các hạt ở hợp kim thấp hơn; xuyên hạt ở 316 ở nhiệt độ cao hơn) dưới ứng suất kéo trong dung dịch NaOH đậm đặc. Màng thụ động trên 316 trong xút là màng hydroxit/oxit sắt và crom chỉ ổn định trong phạm vi điện thế giới hạn. Dưới phạm vi điện thế thụ động (điện thế âm cao hơn), kim loại bị ăn mòn mạnh (ăn mòn chung). Trên phạm vi thụ động (điện thế dương cao hơn) xảy ra quá trình hòa tan xuyên qua, trong đó crom bị oxy hóa thành cromat hòa tan (CrO4 2-) và SCC được bắt đầu. Điện áp anốt được điều chỉnh trong phạm vi thụ động sẽ ổn định màng thụ động và loại bỏ động lực gây ra sự cố cục bộ.

Cửa sổ bảo vệ anốt định lượng cho 50% NaOH @ 120C

Phạm vi thụ động và ranh giới vết nứt là hàm số của điện áp đặt vào Ag/AgCl (3M KCl) đã được xác định trong 50% NaOH ở 120 độ bằng các thử nghiệm điện thế có kiểm soát đối với thép không gỉ 316 (mẫu uốn cong chữ U dưới ứng suất kéo không đổi).

Applied Potential (mV vs. Ag/AgCl, 3M KCl) Electrochemical Region Corrosion Rate (mm/year)CSCC Initiation Time (hrs) Surface Condition 120°C 50% NaOH Service Recommended After 1000 hours Active corrosion < -400 Immediate (active) 5-10 Severe general corrosion No -400 to -250 Active/transition 1-5 10-50 Pitting + general loss No -250 to -2000Mixed (active edge) 0.5-1.0 50-200 Localised attack Not advised -200 to -150 Passive (low) 0.02-0.05 >5.000 Sáng, không tấn công Chấp nhận được (đường biên)
-150 to +100 Passive (optimum) 0.01-0.02 >10.000 Sáng, thụ động Tốt nhất +100 đến +200 Thụ động (cao) 0.02-0.05 2,000-5.000 Màu sắc (độ dày oxit) Có thể chấp nhận được +200 đến +250 Cạnh xuyên 0.1-0.3 500-1,500 Rỗ nhẹ Biên +250 đến +350 Xuyên qua 0.5-1.0 100-500 Vết nứt CSCCKhông nên dùng > +350 tiến hóa 1-5<100 Severe CSCC + pitting No
Ảnh hưởng của nồng độ ăn da và nhiệt độ đến phạm vi tiềm năng bảo vệ

Cửa sổ điện thế thụ động thay đổi theo nồng độ xút và nhiệt độ. Sau đây là bảng các tiềm năng bảo vệ được khuyến nghị ở các điều kiện khác nhau.

NaOH Conc. (wt%) Nhiệt độ (độ) Phạm vi thụ động (mV so với Ag/AgCl, 3M KCl) Tiềm năng bảo vệ tối ưu (mV) Mật độ dòng điện tối thiểu được đề xuất để bảo vệ (mA/cm2)
30 100 -300 đến +50 -150 0.1 30 120 -250 đến +100 -100 0.2 40 100 -250 đến +100 -100 0.2 40 120 -200 đến +150 -50 0.3 50 100 -200 đến +150 -50 0.3 50 120 -150 đến +200 0 0.5 50 140 -100 đến +250 (thu hẹp) +50 0.8 60 100 -150 đến +200 0 0.4 60 120 -100 đến +250 +50 0.7 70 100 -100 đến +200 (hẹp) +50 0.6
Thông số kỹ thuật của Hệ thống bảo vệ anốt thực tế cho máy sưởi 316

Các thông số hệ thống sau đây cung cấp khả năng ngăn ngừa CSCC đáng tin cậy cho 316 lò sưởi có vỏ bọc trong dịch vụ ăn da nóng có bảo vệ anốt:

Thông số hệ thống Thông số kỹ thuật bắt buộc Phương pháp xác minh
Điện cực tham chiếu Ag/AgCl với 3M KCl, ổn định lên đến 120 độ Hiệu chuẩn trước khi lắp đặt
Điện cực làm việc (bộ gia nhiệt) Được liên kết với cực dương của bộ điều chỉnh điện ápKiểm tra tính liên tục
Điện cực đếm-(cực âm)Bạch kim hoặc titan platin hóa. Tỷ lệ diện tích bề mặt tối thiểu cực âm:cực dương 1:2
Hiệu chuẩn điện thế Điểm đặt tiềm năng -50 đến 0 mV (đối với 50% NaOH ở 120 độ)
Dung sai có thể có ± 20 mVData ghi nhật ký
Mật độ dòng điện yêu cầu 0,3-0,8 mA/cm2 tùy thuộc vào nhiệt độ Dòng điện ban đầu trong đường dẫn
Failsafe Interlock -If potential drifts >+250 mV hoặc<-250 mV, shut-down heater Alarm + shut-down
Nhận dạng trường của Bảo vệ ăn mòn không thành công

Lò sưởi 316 bị nứt khi ở chế độ ăn da mặc dù được che chắn anốt. Ba kịch bản thất bại có thể xảy ra. Đầu tiên, khả năng trôi dạt vào vùng xuyên qua (+200 đến +350 mV) gây ra các vết nứt SCC xuyên hạt với quá trình oxy hóa nghiêm trọng (bề mặt có màu sắc). Thứ hai, tiềm năng trôi vào vùng hoạt động (<-200 mV) leads to widespread corrosion with pitting. Third, loss of power to the potentiostat (unprotected operation) leads to fast CSCC, with cracks developing within 50-200 hours. The cause will be determined by reviewing the log of the failed heater (if logged). Proper anodic protection can be restored by recalibrating the reference electrode, inspecting electrical connections and optionally reducing the heater power density.

Kết luận: Đặc tính kỹ thuật của bảo vệ anốt cho dịch vụ ăn da

Việc tránh hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất ăn da của lò sưởi bọc thép không gỉ 316 trong 50% NaOH ở 120 độ chỉ được thực hiện bằng cách duy trì thế kim loại trong khoảng -150 đến +200 mV so với Ag/AgCl (3M KCl), trong cửa sổ thụ động.