Độ dày vỏ quan trọng của bộ gia nhiệt bằng thép không gỉ 316 trong dung dịch ăn mòn clorua sắt 15% ở 55 độ khi ngâm một phần

Sự đánh đổi cơ bản{0}}trong dịch vụ clorua oxy hóa mạnh

FeCl₃ (clorua sắt) là một trong những hợp chất ăn da thường được sử dụng trong ăn mòn công nghiệp và xử lý nước thải. Ở nồng độ 15% và 55°C, dung dịch này có ba yếu tố tích cực: nồng độ ion clorua cao (khoảng 10% trọng lượng), ion sắt oxy hóa duy trì thế điện hóa cao và độ pH axit (thường là 1,5{13}}2,5). Môi trường này nằm ngoài phạm vi hoạt động tiêu chuẩn của thép không gỉ 316. Nhiệt độ rỗ tới hạn của 316 trong clorua sắt là dưới 30°C và do đó ở 55°C sự rỗ là chắc chắn và nhanh chóng. Trong dịch vụ này, chức năng của độ dày vỏ bọc không phải là ngăn chặn sự ăn mòn mà là cung cấp đủ kim loại dự trữ để có thể chịu đựng được các vết rỗ và va đập đồng đều dự kiến ​​trong một thời gian sử dụng giới hạn nhất định. Độ dày tới hạn là độ dày tối thiểu có thể được đục lỗ trong thời gian hoạt động cần thiết và ngoài độ dày đó, kim loại bổ sung có hiệu suất giảm dần do tốc độ ăn mòn tự tăng tốc.

Rỗ trong dung dịch sắt clorua

Thử nghiệm thông thường về khả năng chống rỗ của thép không gỉ là ASTM G48 (không phải G46). Thử nghiệm sử dụng 6% clorua sắt ở 50°C. Trong những điều kiện này, thép không gỉ 316 thường xuất hiện vết rỗ sau 24-72 giờ với độ sâu vết rỗ là 0,2-0,5 mm. Độ ăn mòn cao hơn nhiều ở clorua sắt 15% ở 55°C. Các phát hiện trong phòng thí nghiệm cho thấy rằng 316 phiếu thép không gỉ tiếp xúc với 15% FeCl3 ở nhiệt độ 55 độ sẽ phát triển các vết rỗ nhìn thấy được trong vòng 4-8 giờ, với độ sâu của vết rỗ đạt 0,5-1,0 mm sau 100 giờ tiếp xúc liên tục. Rỗ là một quá trình tự xúc tác, khi hố được bắt đầu quá trình thủy phân clorua sắt trong hố sẽ tạo ra một môi trường giàu clorua, có tính axit rất thuận lợi cho quá trình hòa tan sau đó. Tốc độ tăng trưởng của hố trong môi trường này là tuyến tính hoặc tăng tốc nhẹ, thường là 0,1-0,3 mm mỗi ngày tiếp xúc liên tục. Đối với máy sưởi không liên tục, chẳng hạn như 8 giờ mỗi ngày, 5 ngày mỗi tuần, tốc độ phát triển vết rỗ hiệu quả là khoảng 0,03-0,10 mm mỗi ngày hoạt động. Độ sâu hố tối đa dự kiến ​​cho thời hạn sử dụng sáu tháng (khoảng{28}} giờ hoạt động) là 2-5 mm.

Ngâm một phần và tấn công trong pha hơi

Nhu cầu nhấn chìm một phần sẽ tạo thêm cơ chế hỏng hóc thứ hai, nguy hiểm hơn. Giao diện hơi-lỏng đặc biệt nghiêm trọng trong dịch vụ clorua sắt vì sự bay hơi tập trung muối trên bề mặt vỏ bọc phía trên đường chất lỏng. Nước bay hơi và các tinh thể clorua sắt tích tụ trên vỏ nóng. Những tinh thể dễ tan chảy này hút độ ẩm từ khí quyển và tạo ra nước muối bão hòa có tính ăn mòn cao hơn dung dịch khối. Nhiệt độ chất lỏng thường thấp hơn nhiệt độ của phần tiếp xúc với hơi của vỏ bọc, vì làm mát bằng không khí kém hiệu quả hơn làm mát bằng chất lỏng. Đối với thiết bị sưởi có tổng chiều dài ngâm là 500 mm và cao hơn chất lỏng 100 mm, phần tiếp xúc có thể là 80{14}}100°C và phần nhúng là 55-60°C. Ở nhiệt độ cao hơn, tốc độ ăn mòn ở vùng hơi có thể lớn hơn từ 5 đến 10 lần so với ở chất lỏng. Việc kiểm tra hiện trường nhiều lần đối với bộ gia nhiệt ngập một phần trong bể chứa clorua sắt đã chỉ ra rằng sự cố xảy ra ở bề mặt phân cách chất lỏng-hơi chứ không phải ở khu vực được ngâm hoàn toàn. Do đó, độ dày tới hạn đối với dịch vụ này được kiểm soát bởi tốc độ tấn công tại bề mặt tiếp xúc thay vì do ăn mòn chất lỏng số lượng lớn.

Hạn chế về nhiệt và giới hạn của tường dày

Hiệu ứng nhiệt của tường dày là vấn đề khó giải quyết trong dịch vụ clorua sắt, tạo ra vòng phản hồi nguy hiểm. Nếu thiết bị sưởi được ngâm một phần, phần tiếp xúc sẽ được làm mát bằng đối lưu tự nhiên với không khí. Hệ số truyền nhiệt của không khí chỉ là 10-30 W/m2·K nhưng đối với chất lỏng là 500-1000 W/m2·K. Phần tiếp xúc sẽ cháy ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với phần được nhúng vào. Sử dụng bức tường dày hơn (2,5 mm thay vì 1,5 mm) sẽ làm tăng nhiệt độ của phần tiếp xúc thêm 15-25°C, vì bức tường lớn hơn sẽ cách điện cho dây điện trở bên trong. Tốc độ ăn mòn của thép không gỉ 316 trong nước muối clorua sắt ở 120°C xấp xỉ ba lần ở 100°C. Thành dày hơn, mặc dù nhằm mục đích dự trữ kim loại nhiều hơn, nhưng trên thực tế có thể làm giảm tuổi thọ sử dụng vì nó làm tăng nhiệt độ bề mặt và tăng tốc độ tấn công. Mô hình nhiệt gợi ý rằng lò sưởi có đường kính ngoài 12 mm hoạt động ở công suất 8 W/cm2 trong clorua sắt 55°C với 100 mm tiếp xúc với không khí ở 25°C sẽ có phần tiếp xúc ở 95°C đối với tường 1,2 mm, 110°C đối với tường 1,8 mm và 125°C đối với tường 2,5 mm. Tốc độ ăn mòn ở 125 độ xấp xỉ năm lần so với ở 95 độ. Vì vậy tuổi thọ sử dụng hiệu quả không tăng tỷ lệ thuận với độ dày.

Khuyến nghị về độ dày tới hạn cho dịch vụ ngắn hạn

Do môi trường khắc nghiệt và bản chất-tự tăng tốc của cuộc tấn công, triết lý thiết kế cho máy sưởi clorua sắt phải thay đổi từ "tuổi thọ cao" sang "tuổi thọ ngắn có thể dự đoán được và thay thế theo kế hoạch". Cần có độ dày tối thiểu 1,8-2,0 mm để có tuổi thọ sử dụng là 6 tháng với 8 giờ hoạt động mỗi ngày. Độ dày cung cấp đủ lượng kim loại dự trữ để chống lại sự rỗ 2-5 mm dự đoán ở phần tiếp xúc giữa chất lỏng và hơi. Các thành mỏng hơn 1,2-1,5 mm thường sẽ đục lỗ sau 2-4 tháng. Các bức tường dày hơn không được đề xuất trên 2,5 mm, vì hình phạt nhiệt làm tăng nhiệt độ của phần tiếp xúc lên phạm vi nhiệt độ nơi sự ăn mòn tăng tốc đến mức kim loại bổ sung không mang lại lợi thế thực sự. Tuổi thọ sử dụng 3 tháng là đủ với độ dày 1,5-1,6 mm{16}}mm có thể đủ cho thời gian sử dụng một tháng hoặc cho quy trình một lô. Trong mọi trường hợp, máy sưởi phải được coi là vật tư tiêu hao có lịch trình thay thế cố định.

Các chiến lược thay thế đánh bại những bức tường dày hơn

Thép không gỉ 316 ở bất kỳ độ dày thực tế nào cũng sẽ không chịu được việc sử dụng lâu dài-trong clorua sắt 15% ở 55°C khi ngâm một phần. Câu hỏi kỹ thuật quan trọng không phải là sử dụng độ dày bao nhiêu. Vấn đề là liệu 316 có thể được sử dụng hay không. Vật liệu tiêu chuẩn để gia nhiệt clorua sắt là Titanium (Cấp 2). Titan tạo ra lớp phủ thụ động ổn định trong clorua sắt và không bị rỗ ngay cả ở nhiệt độ 80-90°C. Vỏ titan 1,0-1,2 mm sẽ bền hơn 10-20 lần so với vỏ 2,5 mm 316. Nếu không có titan, có thể đạt được điện trở tuyệt vời bằng lò sưởi được phủ fluoropolymer (PTFE hoặc PFA trên lõi 316) để cách ly kim loại khỏi dung dịch. Tuy nhiên, nếu ứng dụng mà bộ sưởi luôn chìm hoàn toàn (không có giao diện hơi), thì 316 ở độ dày 2,0 mm có thể tồn tại từ 6 đến 12 tháng, nhưng tùy chọn lớp phủ hoặc titan vẫn tốt hơn.

Kết luận: Độ dày tới hạn để xác định tuổi thọ sử dụng

Độ dày vỏ bọc cần thiết cho bộ gia nhiệt bằng thép không gỉ 316 trong 15% clorua sắt ở 55 độ khi ngâm một phần là 1,8-2,0 mm trong thời gian sử dụng sáu-tháng trong điều kiện hoạt động không liên tục. Độ dày này là sự dung hòa giữa nhu cầu dự trữ kim loại và sự tăng tốc ăn mòn do nhiệt xảy ra với các bức tường dày hơn. Thành mỏng bị hỏng sớm do bị thủng ở điểm tiếp xúc chất lỏng-khí. Các rào chắn dày hơn không tăng thêm sự sống nhưng tăng tốc độ tấn công và tăng độ ấm cho phần tiếp xúc. Lời khuyên quan trọng nhất là tránh 316 SS trong dịch vụ này nếu có bất kỳ lựa chọn thay thế nào. Khi được yêu cầu, kỹ sư phải cung cấp thời gian sử dụng dự kiến ​​tính bằng tháng, số giờ vận hành hàng ngày và chiều dài vùng hơi tiếp xúc. Thông tin này sẽ xác định xem 316 có phù hợp hay không hoặc có cần vỏ bọc bằng titan hoặc tráng phủ hay không. Ngoài ra, thông số kỹ thuật phải bao gồm lịch trình kiểm tra bắt buộc ở một nửa tuổi thọ ước tính để theo dõi độ sâu của hố và xác định xem có cần thay thế sớm hay không.