Quin és el gruix de paret de la funda d'acer inoxidable 316 màxim permès per a un escalfador d'immersió elèctrica en servei d'àcid nítric per sobre del 20 per cent de concentració a 80 graus centígrads?

Els enginyers de processos químics que seleccionen l'acer inoxidable 316 com a material de la funda per als escalfadors elèctrics d'immersió en servei d'àcid nítric per a línies de decapat de metalls, fabricació química i sistemes de digestió de laboratori, han de conèixer tant la resistència a la corrosió com el rendiment tèrmic. L'àcid nítric és únic entre els àcids minerals perquè és oxidant. Això ajuda a desenvolupar una capa passiva sobre l'acer inoxidable. Però el 316 encara pot patir una corrosió ràpida a concentracions superiors al 20% i a temperatures superiors als 60 graus, especialment si l'àcid està contaminat amb clorurs o si la temperatura superficial de la funda és massa alta. El gruix de la paret de la funda 316 afecta la capacitat de corrosió per a la vida útil de l'escalfador i la temperatura superficial a una densitat de watts particular. De fet, les parets més gruixudes augmenten la temperatura superficial, cosa que podria provocar una corrosió més ràpida. Basant-se en diagrames d'isocorrosió publicats i dades de camp, aquest article presenta el gruix de paret màxim permès per a 316 beines en servei d'àcid nítric.

Resistència a la corrosió de l'acer inoxidable 316 a l'àcid nítric
316 stainless steel is protected in high-concentration nitric acid by a passive chromium oxide coating. The corrosion rate is usually < 0.1 mm per year at normal temperature. The corrosion rate increases with temperature but the relation is not monotonic. At nitric acid concentrations of 20 to 40% and temperatures over 70°C, 316 is in the transpassive region where the protective coating breaks down locally, resulting in pitting and intergranular assault. At concentrations >60%, l'àcid es torna fortament oxidant i la pel·lícula passiva es reforma novament reduint les taxes de corrosió. La regió més agressiva per a 316 en àcid nítric és al voltant del 30-50% de concentració a 80-100 graus on les taxes de corrosió poden arribar a ser de 0,5-1,0 mm per any. El flux de calor cap a un escalfador d'immersió fa que la temperatura de la superfície de la funda estigui normalment entre 20 i 50 o C per sobre de la temperatura de l'àcid a granel. Un escalfador amb àcid a granel de 80 graus a 8 W/cm² tindria una temperatura de la superfície de la funda de 105-115 graus, que es troba en el rang alt per a la taxa de corrosió. Tanmateix, la interrelació entre el gruix de la paret, la densitat de watts i la temperatura superficial significa que una funda més gruixuda, augmentant la temperatura de la superfície per a una densitat de watts determinada, podria escurçar la vida útil, tot i que proporciona més material de partida.

Taxa de corrosió i vida útil Efecte del gruix de la paret
Amb l'augment del gruix de la paret de la coberta de 316, la resistència tèrmica addicional augmenta linealment amb la temperatura de la superfície exterior per a una certa densitat de watts i temperatura d'àcid a granel. La taxa de corrosió al 40% d'àcid nítric i una temperatura a granel de 80 graus és d'uns 0,3 mm / any, la temperatura de la superfície de la funda és de 95 graus. A 110 graus, la taxa de corrosió augmenta fins a uns 0,7 mm per any. A 125 graus, la velocitat s'acosta als 1,2 mm/any. Ara considereu un escalfador amb 6 W/cm$^2$ i 1,0 mm de gruix de paret. La temperatura de la superfície és d'uns 100 graus, la qual cosa dóna una taxa de corrosió de 0,4 mm per any. La tolerància de corrosió de 0,4 mm contra l'1,0 mm de gruix permet 0,6 mm per a la integritat estructural, donant una vida útil segura d'uns 2,5 anys. El mateix escalfador amb un gruix de paret de 2,0 mm amb la mateixa densitat de watts té una temperatura superficial d'aproximadament 118 graus i, per tant, una taxa de corrosió de 0,9 mm per any. Amb una tolerancia de corrosió de 0,9 mm sobre 2,0 mm, això deixa 1,1 mm, donant una vida útil d'uns 2,4 anys - pràcticament igual però amb el doble de gruix de paret original. La paret més gruixuda no allarga la vida, ja que es corroeix més ràpidament. Aquesta conclusió paradoxal suggereix que per al funcionament amb àcid nítric hi ha un gruix de paret ideal que equilibra el material inicial versus l'acceleració de la corrosió. Els càlculs basats en les dades de corrosió publicades indiquen un gruix ideal de paret de la funda 316 d'uns 1,2-1,4 mm per a un 40% d'àcid nítric a 80 graus amb una densitat de watts de 6-8 W/cm² per proporcionar la major vida útil.

Gruix de paret màxim recomanat per al servei d'àcid nítric
La taula següent ofereix els gruixos màxims de paret de la coberta recomanats per als escalfadors d'immersió elèctrics en servei d'àcid nítric. Els valors són per a un funcionament continu, àcid net sense contaminació per clorur i una vida útil mínima de dos anys. Per a requisits de vida útil més llarg, és més beneficiós reduir la densitat de watts que augmentar el gruix de la paret.

Concentració d'àcid nítric Temperatura d'àcid a granel Interval de densitat de watts recomanat Màxim recomanat 316 Gruix de paret de la coberta Taxa de corrosió esperada amb el gruix màxim Vida útil estimada amb el gruix màxim 10 – 20% Fins a 90 graus 8 – 12 W/cm² 2,0 – 0,5 mm/any 2,0 mm –/any 20 – 30% 60 – 80 graus 6 – 10 W/cm² 1,6 mm 0,30 – 0,50 mm/any 3 – 5 anys 20 – 30% 80 – 95 graus 4 – 7 W/cm² 1,2 mm 0,50 – 0,80 – 0,80 mm – 5 anys – 3 anys 80 graus 4 – 6 W/cm² 1,2 mm 0,60 – 1,00 mm/any 1,5 – 2,5 anys 30 – 50% 80 – 95 graus 2 – 4 W/cm² 1,0 mm 0,80 – 1,20 mm/any 1 – 2,5 anys 1 – 80% 50 – 80% 1 – 2 anys 1 – 70 % W/cm² 2,0 mm 0,10 – 0,20 mm/any 5 – 10 anys 50 – 70% 80 – 100 graus 4 – 7 W/cm² 1,6 mm 0,20 – 0,35 mm/any 4 – 6 anys
Més del 70%Fins a 100 graus 8 – 12 W/cm² 2,5 mm Per sota de 0,10 mm/any Més de 10 anys
L'acer inoxidable 316 és marginal per a l'àcid nítric en el rang de concentració del 30-50% a temperatures superiors als 80 graus C, independentment del gruix de la paret. Els enginyers en aquestes condicions haurien de considerar l'actualització a un acer inoxidable d'alt silici com el Durimet 20 o un aliatge de titani. El titani té una alta resistència a la corrosió en àcid nítric a totes les concentracions i temperatures amb taxes de corrosió inferiors a 0,05 mm/any fins i tot a temperatura d'ebullició. El cost inicial més elevat del titani es compensa amb la seva vida útil més llarga i l'eliminació de la possibilitat de fallades catastròfiques per corrosió localitzada.

Modificacions de disseny per a una vida útil ampliada sense augmentar el gruix de la paret
Tres canvis de disseny poden augmentar la vida útil en un entorn dur d'àcid nítric on és necessari l'ús d'una funda 316 i el gruix de la paret està limitat per limitacions tèrmiques o de fabricació. El primer i més efectiu és minimitzar la densitat de watts. La reducció de la densitat de watts de 6 W/cm² a 3 W/cm² provoca una disminució de la temperatura de la superfície de la coberta d'uns 15-20 graus, que és suficient per reduir la taxa de corrosió en un 40-60% a l'àrea transpassiva. El compromís és més llargada o diàmetre de l'escalfador. La segona alteració consisteix a passivar la superfície de la funda amb àcid nítric fort abans de la instal·lació. Una immersió de 30 minuts en àcid nítric al 30% a 60 ºC redueix la taxa de corrosió inicial en un 20-30%, espessa el recobriment passiu i elimina la contaminació de ferro superficial. El tercer canvi és el control de la química de l'àcid. La concentració d'ions nitrat s'ha de mantenir per sobre del 0,5% i fins i tot la contaminació per clorur de traces-per sota de 50 ppm, s'ha d'evitar per evitar el canvi a la corrosió activa. Si els clorurs no es poden controlar, independentment del gruix de la paret, 316 és inadequat. Per a aplicacions importants d'àcid nítric, els enginyers haurien d'exigir proves de cupons de corrosió amb mostres del material real de la funda en l'àcid del procés real a la temperatura superficial esperada. Les estadístiques de corrosió publicades poden ser una guia, però la puresa real de l'àcid i el control de la temperatura poden variar enormement. El cost de les proves de cupons és petit en comparació amb el cost d'una fallada inesperada de l'escalfador que contamina un lot de productes o tanca una línia de producció. Quan demaneu escalfadors per al funcionament d'àcid nítric, indiqueu sempre el gruix de la paret i la densitat de watts previstos i sol·liciteu la temperatura superficial prevista pel fabricant i la taxa de corrosió estimada relacionada. Si el proveïdor no pot lliurar els càlculs, no se'ls hauria de lliurar la sol·licitud.