Bằng chứng-Dựa trên độ dày vỏ bọc cho bộ gia nhiệt bằng thép không gỉ 316 trong dung dịch natri hypoclorit 5% ở 40 độ với chu kỳ hoạt động không liên tục là gì?

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

Natri hypochlorite (NaOCl) là một trong những điều kiện khắc nghiệt nhất đối với bất kỳ loại thép không gỉ nào. Chất diệt khuẩn oxy hóa mạnh này được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước, tẩy trắng và vệ sinh. Nó ảnh hưởng đến thép không gỉ 316 theo cơ chế khác với cơ chế rỗ clorua. Các ion hypochlorite có thể oxy hóa trực tiếp màng oxit crom thụ động thành các loại cromat hòa tan, do đó loại bỏ lớp bảo vệ và khiến kim loại bên dưới bị tấn công nhanh.. 316 thép không gỉ trải qua quá trình ăn mòn đồng đều có thể đo lường được và các vết rỗ và ăn mòn ứng suất nghiêm trọng hơn ở nồng độ thấp tới 5 % và nhiệt độ ở 40 o C. Quyết định về độ dày vỏ bọc là sự thỏa hiệp giữa việc có đủ kim loại để đối phó với độ sâu ăn mòn dự kiến và thực tế là không có độ dày khả thi nào có thể mang lại tuổi thọ lâu dài nếu đốt nóng bằng điện ống sẽ được sử dụng trong cách sắp xếp này, ngay cả khi chỉ sử dụng không liên tục. Phân tích này đưa ra các khuyến nghị về độ dày-dựa trên bằng chứng cho thép không gỉ 316 trong dịch vụ hypochlorite loãng, dựa trên dữ liệu ăn mòn đã công bố và kinh nghiệm thực địa trong các ứng dụng xử lý nước đô thị và vệ sinh thực phẩm.

Cơ chế ăn mòn và tốc độ thâm nhập đo được trong hypochlorite.

Phản ứng ăn mòn của thép không gỉ 316 trong dung dịch natri hypoclorit thể hiện một mô hình có thể dự đoán được về nồng độ, nhiệt độ, độ pH và thời gian tiếp xúc. % Nghiên cứu ngâm trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ 40 độ trên NaOCl với độ pH được điều chỉnh thành 9{10}}10 (phổ biến đối với chất tẩy thương mại) cho thấy tốc độ ăn mòn đồng đều là 0,3-0,8 mm/năm. Mức cao hơn của khoảng này là khi dung dịch được sục khí hoặc khuấy trộn, thay thế nồng độ hypochlorite trên bề mặt kim loại. Do đó, một bức tường dày 1,2mm sẽ bị thủng sau 1,5-4 năm khi ngâm nước liên tục. Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng của quá trình gia nhiệt bằng hypochlorite đều có tính chất không liên tục - máy gia nhiệt chỉ được vận hành trong các chu trình cụ thể và dung dịch có thể được làm trống, pha loãng hoặc trung hòa giữa các lần sử dụng. Với lịch trình sưởi ấm không liên tục trong hai giờ mỗi ngày, tốc độ ăn mòn hiệu quả có thể là 0,05 đến 0,15 mm mỗi năm, mang lại tuổi thọ lý thuyết từ 8 đến 24 năm đối với tường 1,2 mm. Mức giảm đáng kể này là do sự tấn công ăn mòn cần cả hypochlorite hoạt tính và nhiệt độ cao. Trong suốt chu kỳ, dung dịch nguội đi và hypochlorite bị phá vỡ, dẫn đến tốc độ ăn mòn gần bằng không. Cơ chế hư hỏng nguy hiểm hơn là tạo thành vết rỗ trong hypochlorite. Ngay cả ở nhiệt độ 40 độ, nhiệt độ rỗ tới hạn của thép không gỉ 316 trong NaOCl 5% vẫn bị vượt quá và các vết rỗ có thể bắt đầu chỉ sau vài giờ tiếp xúc. Khi hố được hình thành, độ sâu hố tăng với tốc độ 0,5–1,5 mm/năm, không phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn đồng đều. Nếu các điều kiện giải pháp thuận lợi cho việc bắt đầu tạo hố, thì một hố duy nhất có thể xuyên qua bức tường 1,5 mm trong 1-3 năm ngay cả khi hoạt động lẻ tẻ. Dữ liệu hiện trường về các hư hỏng trong lò sưởi bằng thép không gỉ bể hypochlorite 316 chỉ ra rõ ràng rằng cơ chế thủng bị chi phối bởi rỗ chứ không phải là mỏng đồng đều. Do đó, khuyến nghị về độ dày phải được đưa ra trên cơ sở tốc độ lan truyền của hố chứ không dựa trên dung sai ăn mòn chung.

Giới hạn nhiệt và hạn chế sưởi ấm thực tế

Dung dịch natri hypoclorit khó đun nóng vì hypoclorit không bền nhiệt, phân hủy nhanh hơn khi nhiệt độ tăng. gần 40 độ, tốc độ phân hủy ở mức vừa phải, nhưng nó tăng tốc ở gần bề mặt vỏ bọc, nơi nhiệt độ có thể đạt tới 60-80 độ đối với dung dịch khối lớn 40 độ. Ăn mòn được gây ra bởi cả ion oxy và clorua (sản phẩm phụ của quá trình phân hủy hypochlorite). Đối với công suất đầu vào nhất định, vỏ bọc dày hơn sẽ dẫn đến nhiệt độ bề mặt lớn hơn, dẫn đến vòng phản hồi dương giúp phân hủy nhanh hơn và nồng độ clorua cao hơn trên bề mặt kim loại. Đối với lò sưởi ngâm thông thường có mật độ watt là 6–8 W/cm^2 trong chất lỏng 40 độ, thành 1,2 mm giữ nhiệt độ vỏ bọc ở khoảng 55-60 độ. Với độ dày thành 2,0 mm, con số này tăng lên 70-80 độ. Tỷ lệ phân hủy của hypochlorite ở 70 độ cao hơn khoảng ba lần so với ở 55 độ. Lượng clorua bổ sung được tạo ra cục bộ có thể làm giảm khả năng tạo vết rỗ của thép không gỉ và do đó có thể thúc đẩy hơn nữa quá trình khởi động vết rỗ. Mô hình nhiệt cho thấy nhiệt độ vỏ bọc phải được giữ dưới 60 độ để tránh sự phân hủy nhanh trong dịch vụ hypochlorite. Giới hạn này thiết lập một cách hiệu quả độ dày thành tối đa có thể thực hiện được. Đối với ống có đường kính ngoài 12 mm và hypochlorite 40 độ, độ dày thành tối đa khoảng 1,6-1,8 mm để giữ nhiệt độ vỏ bọc dưới 60 độ ở mật độ watt là 5 W/cm2. Ở mức 8 W/cm2, độ dày tường thậm chí 1,2 mm có thể vượt quá 60 độ và do đó, những bức tường lớn hơn không những không cần thiết mà còn bị cấm về nhiệt.

Bằng chứng-Khuyến nghị dựa trên độ dày cho các lịch trình nhiệm vụ khác nhau

Đối với hệ thống sưởi bằng hypochlorite không liên tục, trong đó lò sưởi được sử dụng ít hơn 4 giờ mỗi ngày với việc xả hoặc pha loãng hàng tuần, độ dày từ 1,2 đến 1,5 mm sẽ đủ cho tuổi thọ sử dụng là 3 năm. Lượng ăn mòn trung bình trong 3 năm tiếp xúc không liên tục (ước tính 0,15-0,45 mm) để lại ít nhất 0,75 mm tường dư. Rủi ro rỗ được kiểm soát bằng cách hạn chế nhiệt độ vỏ bọc. 316 thép không gỉ là một lựa chọn tồi cho bất kỳ ứng dụng nào cần gia nhiệt liên tục, chẳng hạn như giữ bể chứa chất tẩy ở 35-40 độ C để ngăn chặn sự kết tinh, bất kể độ dày. Tốc độ ăn mòn nhất quán là 0,3-0,8 mm/năm với mức độ tiếp xúc liên tục, do đó, bức tường 2,0 mm sẽ chỉ tồn tại được 2,5-6,5 năm. Quan trọng hơn, các hố có thể hình thành và mở rộng khi tiếp tục bị nung nóng. Dữ liệu thực địa từ các nhà máy xử lý nước thải đô thị đã cố gắng sử dụng lò sưởi ngâm bằng thép không gỉ 316 trong dịch vụ hypochlorite liên tục, cho thấy hư hỏng trung bình sau 12-24 tháng, ngay cả với độ dày thành 2,5-3,0 mm. Các hư hỏng thường liên quan đến rỗ, thậm chí không liên quan đến mòn. Nếu bộ sưởi được tháo ra và làm sạch, giới hạn an toàn hợp lý là độ dày thành từ 1,5 đến 1,8 mm đối với chế độ làm việc không liên tục với các chu kỳ ngoài kéo dài. Độ dày trên 1,2 mm không phải chủ yếu để chống ăn mòn mà để đảm bảo độ bền cơ học chống lại hư hỏng khi tháo và lắp lại, đây là điều điển hình trong các ứng dụng vệ sinh.

Đối với các ứng dụng có chu kỳ gia nhiệt rất ngắn, ví dụ như đun nóng dung dịch hypochlorite từ 20 độ đến 40 độ một lần mỗi ngày cho hoạt động khử trùng theo đợt, độ dày từ 1,0 đến 1,2 mm có thể phù hợp. Thời gian tiếp xúc ngắn giúp giảm thiểu sự xâm nhập ăn mòn tổng thể và hiệu suất nhiệt của bức tường mỏng giúp giảm thời gian gia nhiệt, hạn chế tiếp xúc hơn nữa. Nhưng bất kỳ vết rỗ nào bắt đầu trong chu trình gia nhiệt sẽ tiếp tục phát triển trong quá trình làm mát miễn là hypochlorite tiếp xúc với kim loại. Đặc biệt nên xả dung dịch hoặc trung hòa sau mỗi mẻ. Trong mọi trường hợp, bằng chứng ủng hộ mức trần 2,0 mm đối với thép không gỉ 316 trong dịch vụ hypochlorite. Trên độ dày này, hiệu ứng nhiệt làm tăng nhiệt độ vỏ bọc đến vùng phân hủy hypochlorite nhanh chóng và kim loại bổ sung không tăng tuổi thọ theo tỷ lệ vì rỗ, không ăn mòn đồng đều, kiểm soát hư hỏng.

Các chiến lược thiết kế và vật liệu thay thế hoạt động tốt hơn các bức tường dày hơn

Khi nói đến việc gia nhiệt bằng hypochlorite, việc thay đổi vật liệu vỏ bọc gần như luôn là lựa chọn tốt hơn so với việc tăng thêm độ dày cho thép không gỉ 316. Titan (Cấp 2 hoặc 7) là tiêu chuẩn công nghiệp để đun nóng dung dịch natri hypoclorit. Trong hypochlorite titan phát triển một màng thụ động bền và có khả năng chống rỗ ở nồng độ 15% và nhiệt độ từ 80 đến 90 độ. Lớp vỏ titan dày 1,0–1,2 mm sẽ tồn tại lâu hơn lớp vỏ thép không gỉ 3,0 mm 316 gấp 10 lần trở lên. Chi phí ban đầu của titan sẽ sớm được bù đắp với thời gian ngừng hoạt động ngắn hơn và ít thay thế hơn. Trong trường hợp không có titan, các lớp phủ fluoropolymer như PTFE hoặc PFA có thể được đặt trên vỏ bọc bằng thép không gỉ 316. Những lớp phủ này bảo vệ kim loại khỏi dung dịch hypochlorite và loại bỏ hoàn toàn sự ăn mòn. Tuy nhiên, lớp phủ có thể bị hư hỏng về mặt cơ học và cần được xử lý cẩn thận. Bộ gia nhiệt có lớp phủ (lõi thép không gỉ 316 1,2 mm, lớp PTFE 0,3-0,5 mm) hiệu quả hơn nhiều so với vỏ bọc 316 chưa được xử lý 2,5 mm. Cuối cùng, mật độ watt giảm xuống 3-4 W/cm 2 bằng cách sử dụng bộ gia nhiệt dài hơn hoặc nhiều hơn, giữ nhiệt độ vỏ bọc trong khoảng 5-10 độ so với dung dịch khối, đồng thời giảm sự phân hủy hypochlorite và nguy cơ rỗ. Trong trường hợp sử dụng không liên tục, vỏ bọc 316 1,2 mm có thể mang lại tuổi thọ thỏa đáng ở mật độ watt thấp.

Kết luận: Trọng lượng của bằng chứng về độ dày của dịch vụ Hypochlorite

Khi chọn độ dày vỏ bọc cho lò sưởi bằng thép không gỉ 316 trong natri hypoclorit 5% ở 40 độ, người ta phải nhận ra rằng vật liệu đang hoạt động ở giới hạn kháng hóa chất. Thử nghiệm ăn mòn và hư hỏng tại hiện trường cho thấy rỗ chứ không phải mòn đồng đều là yếu tố chính quyết định tuổi thọ sử dụng và các bức tường lớn hơn mang lại hiệu quả giảm dần khi vượt quá độ dày tối thiểu 1,2–1,5 mm. Đối với hoạt động không liên tục với hệ thống sưởi ít hơn bốn giờ mỗi ngày và thoát nước hoặc pha loãng thường xuyên, lựa chọn độ dày thực tế là. 1.4-1.6 mm đủ dày để tồn tại trong các hố không thường xuyên trong hai đến ba năm, nhưng cũng đủ mỏng để giữ nhiệt độ vỏ bọc dưới 60 độ ở mật độ watt vừa phải. Đối với hệ thống sưởi liên tục hoặc bất kỳ ứng dụng nào mà lò sưởi không thể tháo ra và kiểm tra định kỳ, thép không gỉ 316 không được chấp nhận bất kể độ dày và nên chọn vỏ bọc bằng titan hoặc tráng. Thông số kỹ thuật mua sắm cho dịch vụ hypochlorite phải nêu rõ mật độ watt tối đa (4 W/cm 2 trở xuống), thời gian gia nhiệt hàng ngày dự kiến ​​và liệu hoạt động liên tục có cần thiết đối với các giải pháp thay thế titan hoặc tráng phủ hay không. Điều này chuyển cuộc thảo luận về thiết kế khỏi việc tìm kiếm những bức tường 316 ngày càng dày hơn không hiệu quả để chuyển sang các giải pháp vật liệu và hệ thống thực sự giải quyết được vấn đề ăn mòn.