При каква конкретна комбинация от концентрация на азотна киселина и температура 1,6 милиметрова обвивка от неръждаема стомана 316 изисква намаляване на мощността под 12 вата на квадратен сантиметър за предотвратяване на междугранулна атака при обслужване на фармацевтичен реактор?

Инженерите по процеси, изграждащи електрически потопяеми нагреватели за фармацевтични реактори и съдове за химически синтез, често използват азотна киселина за пасивиране, почистване и като реакционна среда. Типичните концентрации са 10-30% азотна киселина при 40-70° C. 316 обвивка от неръждаема стомана. Обвивка от 1,6 mm обикновено се използва във фармацевтичните услуги поради изискванията за почистване и устойчивост на корозия. Въпреки това, когато се използват заварени фланци или приспособления, зоната, засегната от топлина, може да стане чувствителна към междукристално нападение при определени комбинации концентрация-температура. Документът определя минималните прагови стойности, под които 1,6 mm 316 обвивка трябва да бъде намалена във ватова плътност до по-малко от 12 W/cm², за да се предотврати междугранулирана атака при обслужване на фармацевтичен реактор.

Механизъм на междугранулна атака на азотна киселина
За 316 в азотна киселина, междукристалната атака се причинява от хромни карбиди, които се утаяват по границите на заваръчните зърна и изчерпват съседните области на хром в засегнатата от топлина-зона. Азотната киселина атакува предимно зоните с изчерпване на хром, което води до корозия на границите на зърната, което може да доведе до разместване на фланеца или изтичане на обвивката. Концентрационна и температурна зависимост на чувствителността към междугранулна атака. Атаката при 10% азотна киселина е осезаема само при 80°C. При 20% азотна киселина прагът е 65°C. Атака в 30% азотна киселина при температури над 55^0C. При 40% азотна киселина атаката настъпва над 45 градуса. Най-податливата точка на 1,6 mm обвивка със заварен фланец е засегнатата от топлина-зона. Поради плътността на вата температурата на повърхността на обвивката обикновено е с 10–20 градуса по-висока от температурата на киселинната маса. Повърхността на обвивката достига 73 градуса при насипна температура от 55 градуса в 30% азотна киселина с нагревател при 12 W/cm2 (18 градуса повишаване) доста над прага за междукристална атака от 55 градуса.

Критични прагове за намаляване на мощността за 1,6 mm обвивка
Когато се изпитва потапяне в азотна киселина при температури, подходящи за фармацевтичните услуги, следните ограничения на плътността на вата за обвивка на стената от 1,6 mm са приложими за предотвратяване на междукристална атака в засегнатата от топлина зона на заварени проби 316:

Концентрация на азотна киселина Температура на насипната киселина Максимална температура на повърхността на обвивката за липса на междугранулна атака Максимално допустима плътност на ватове за 1,6 mm обвивка (15 градуса покачване при 10 W/cm2) Очаквано време за атака при по-висока плътност на ватове 10% 50 градуса 80 градуса 20 W/cm2 Безопасно при всяка практична ватова плътност 10% 60 градуса 80 градуса 13 W/cm2 Безопасно при 12 W/cm2 10% 70 градуса 80 градуса 7 W/cm2 Необходимо е намаление под 12 W/cm² 10% 75°C 80°C 3 W/cm² 316 пределно; 316L предпочитано 20% 40°C 65°C 17 W/cm² Безопасно при 12 W/cm² 20% 50°C 65°C 10 W/cm² Препоръчително намаление < 12 W/cm² 20% 55°C 65°C 7 W/cm² Изисква се намаление
20% 60°C 65°C 3 W/cm² Използвайте 316L или закален 30% 35°C 55°C 13 W/cm² Безопасен при 12 W/cm² 30% 40°C 55°C 10 W/cm² Препоръчително намаляване на номиналните стойности 30% 45°C 55°C 7 W/cm² Необходимо е намаление
30% 50 градуса 55 градуса 3 W/cm² Използвайте 316L или надстройте сплав
40% 30°C 45°C 10 W/cm² Препоръчва се намаление 40% 35°C 45°C 7 W/cm² Изисква се намаление
40% 40°C 45°C 3 W/cm² 316 не се препоръчва
Във фармацевтичен реактор температурата на повърхността на обвивката на 1,6 mm обвивка при 12 W/cm2 надвишава прага от 65 градуса до почти 70 градуса за 20% азотна киселина при 55 градуса насипна температура. Интер-гранулирана атака може да настъпи в рамките на 6-12 месеца. Намаляването до 8 W/cm² (13°C увеличение, 68°C повърхност) все още надвишава критериите. 4 W/cm² (6°C повишаване, 61°C повърхност) намаляването поддържа обвивката под 65°C, избягвайки нападение.

Безопасна работна обвивка за 12 W/cm² работа
Таблицата по-долу показва максималната безопасна насипна температура на азотна киселина за 1,6 mm 316 обвивка при 12 W/cm² (увеличение с 18°C) за предотвратяване на междукристална атака в зоната, засегната от топлина-заваряване.

Концентрация на азотна киселина Максимална безопасна насипна температура при 12 W/cm² (18°C повишаване) Температура на повърхността на обвивката при максимална безопасна насипна маса Изисква се действие Над максимум 10% 62°C 80°C Намаляване под 12 W/cm² 15% 52°C 70°C Изисква се понижаване 20% 47°C 65°C Изисква се понижаване 25% 42°C 60°C Използвайте 316L или понижете 30% 37°C 55°C Изисква се 316L 35% 32°C 50°C Препоръчва се сплав за надграждане 40% 27°C 45°C 316 не е подходящ
За фармацевтичен реактор с 20% азотна киселина при 50°C насипна температура с 12 W/cm² безопасната насипна граница е 47°C. Нагревателят е безопасен до 50 градуса С. Има висока опасност от междузърнеста атака. Препоръчваме да намалите плътността на ватовете до 8 W/cm² (13° повдигане, 63° повърхност) или посочете материал от клас 316L.

Модификации на дизайна за избягване на междукристална атака
За условия на фармацевтичен процес, които изискват концентрации на азотна киселина и температури, близки до праговете на атака, три корекции на дизайна могат да предотвратят междугранулирана атака без намаляване на мощността под 12 W/cm². Първият е да изберете 316L (ниско съдържание на въглерод, макс. 0,03%) вместо конвенционалния 316. По-ниското съдържание на въглерод намалява утаяването на хромов карбид по време на заваряване и повишава прага на атака с 10–15°C. 316L при 12 W/cm² в 20% азотна киселина е безопасно до 57–60°C насипна температура. Второто подобрение е след{15}}отгряването на зоната за закрепване на фланеца. Локализираното индукционно отгряване до 1050°C премахва хромните карбиди и възстановява устойчивостта на корозия. Последната промяна е да се използва наслагване за заваряване или плакиран фланец, в който обвивката 316 е заварена към подходяща, но по-малко склонна към сенсибилизация-сплав. За фармацевтични реактори, изискващи 30% азотна киселина при 50°C с непрекъсната работа, инженерите трябва да преминат към неръждаема стомана с високо съдържание на силиций като Durimet 20 или Alloy 825. Тези материали са по същество непроницаеми за междукристално нападение в азотна киселина, независимо от тяхната история на заваряване или нагряване. Винаги посочвайте заварени приспособления, когато посочвате нагреватели за работа с фармацевтична азотна киселина. Посочете 316L (не стандартен 316) за всички приложения с концентрация над 15% или 50°C. Интергрануларното нападение на границите на зърната разпространява отделяне на фланеца на заварена 1,6 mm обвивка в азотна киселина и често се случва с малко визуално предупреждение. Правилният избор на материал и управлението на плътността на вата са важни за надеждното функциониране на фармацевтичните реактори.