Sota quina combinació específica de potencial de protecció anòdica aplicada i temperatura de la funda, el tub de l'escalfador d'acer inoxidable 316 al 50% de sosa càustica (NaOH) a 120 graus roman passiu sense esquerdes per corrosió per estrès càustic

Control electroquímic en la prevenció de la fragilitat càustica

L'esquerdament per corrosió per esforç càustic (CSCC, o fragilitat càustica) és un mode de fallada important per als tubs de calefacció elèctrics amb coberta d'acer inoxidable 316 en servei de sosa càustica (NaOH) a temperatures elevades (per exemple, evaporadors, concentradors o escalfadors de línia de transferència càustica). El SCC càustic té lloc en solucions calentes de NaOH a temperatures superiors als 70-80 graus, amb la susceptibilitat augmentant dràsticament amb la temperatura i la concentració càustica. Això és a diferència de l'SCC de clorur, que requereix combinacions particulars de temperatura i concentració de clorur. Al 50% de NaOH (una concentració industrial típica) a 120 graus, 316 és molt sensible a CSCC en condicions de corrosió lliure, amb esquerdes que es desenvolupen en dies o setmanes. El CSCC es pot evitar totalment mitjançant l'ús de protecció anòdica aplicada (és a dir, control potenciostàtic del metall a la regió passiva). El paràmetre important és el potencial aplicat respecte a un elèctrode de referència (sovint Ag/AgCl). L'interval passiu de 316 en NaOH al 50% a 120 graus és d'uns -200 mV a +200 mV en comparació amb Ag/AgCl. El trencament es produeix a potencials inferiors a -200 mV (regió activa) o superiors a +200 mV (regió transpassiva). Aquest article quantifica les finestres potencials de protecció anòdica per a la prevenció de CSCC a diferents temperatures i concentracions càustiques.

Mecanisme d'esquerdes per corrosió per estrès càustic i la seva prevenció

El SCC càustic de l'acer inoxidable 316 és la dissolució selectiva del recobriment passiu als límits del gra (craqueig intergranular en aliatges inferiors; transgranular en 316 a temperatures més altes) sota esforç de tracció en solucions concentrades de NaOH. La pel·lícula passiva de 316 en càustic és una pel·lícula d'hidròxids/òxids de ferro i crom que només és estable en un rang de potencial limitat. Per sota del rang de potencial passiu (potencials negatius més alts) el metall es corroeix de manera agressiva (corrosió general). Per sobre del rang passiu (potencials positius més alts) es produeix la dissolució transpassiva, en la qual el crom s'oxida a cromat soluble (CrO4 2-) i s'inicia SCC. Una tensió anòdica regulada en el rang passiu estabilitza la pel·lícula passiva i elimina la força motriu per a una ruptura localitzada.

Finestres de protecció anòdica quantificada per al 50% de NaOH a 120C

El rang passiu i els límits d'esquerdament en funció de la tensió aplicada vs Ag/AgCl (3M KCl) s'han determinat en NaOH al 50% a 120 graus mitjançant proves potentiostàtiques controlades d'acer inoxidable 316 (exemplars de flexió U- sota tensió de tracció constant).

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 brillants, sense atac acceptable (límit)
-150 to +100 Passive (optimum) 0.01-0.02 >10.000 Brillant, passiu Millor +100 a +200 Passiu (alt) 0.02-0.05 2,000-5.000 Tint (engrossiment d'òxid) Acceptable +200 a +250 Vora transpassiva 0.1-0.3 500-1, 500 Lleu picat Marginal +250} a +250 {CC{12}} esquerdes transpassives 000{12}{12}{12}} recomanat > +350 Evolució d'oxigen 1-5<100 Severe CSCC + pitting No
Influència de la concentració càustica i la temperatura en el rang de potencial de protecció

La finestra de potencial passiu varia amb la concentració càustica i la temperatura. A continuació es mostra una taula de potencials de protecció recomanats en diferents condicions.

NaOH Conc. (%) Temperatura (graus) Interval passiu (mV versus Ag/AgCl, 3M KCl) Potencial de protecció òptim (mV) Densitat de corrent mínima recomanada per a la protecció (mA/cm2)
30 100 -300 a +50 -150 0.1 30 120 -250 a +100 -100 0.2 40 100 -250 a +100 -100 0.2 40 120 -200 a +150 -50 0.3 50 100 -200 a +150 -50 0.3 50 120 -150 a +200 0 0.5 50 140 -100 a +250 (reduint) +50 0.8 60 100 -150 a +200 0 0.4 60 120 -100 a +250 +50 0.7 70 100 -100 a +200 (estret) +50 0.6
Especificacions per a sistemes pràctics de protecció anòdica per a escalfadors 316

Els següents paràmetres del sistema ofereixen una prevenció CSCC fiable per als escalfadors 316 enfundats en servei càustic calent amb protecció anòdica:

Mètode de verificació de l'especificació dels paràmetres del sistema
Elèctrode de referència Ag/AgCl amb 3M KCl, estable fins a 120 graus Calibració pre-instal·lació
Elèctrode de treball (escalfador) Vinculat a l'extrem positiu del potenciòstat. Comproveu la continuïtat
Contra-elèctrode (càtode) Platí o titani platinitzat. Relació de superfície mínima càtode:ànode 1:2
Calibració del potentiostat Punt de consigna potencial -50 a 0 mV (per al 50% de NaOH a 120 graus)
Possible tolerància ± 20 mV Registre de dades
Densitat de corrent requerida 0,3-0,8 mA/cm² en funció de la temperatura Corrent inicial al camí
Failsafe Interlock -If potential drifts >+250 mV o<-250 mV, shut-down heater Alarm + shut-down
Identificació de camp de la protecció càustica fallida

Un escalfador 316 s'esquerda en servei càustic malgrat el blindatge anòdic. Són possibles tres escenaris de fallada. En primer lloc, una possible deriva cap a l'àrea transpassiva (+200 a +350 mV) provoca esquerdes SCC transgranulars amb oxidació severa (superfície de color). En segon lloc, la deriva potencial cap a la regió activa (<-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.

Conclusió: Especificació de protecció anòdica per al servei càustic

L'evitació del trencament per corrosió per tensió càustica dels escalfadors d'acer inoxidable 316 en un 50% de NaOH a 120 graus només es realitza mantenint el potencial metàl·lic entre -150 i +200 mV en comparació amb Ag/AgCl (3M KCl), a la finestra passiva.