Защо електрическите нагревателни тръби с обвивка от неръждаема стомана 316 в контури за дезинфекция с натриев хипохлорит при 30–50 градуса развиват атака на дълбоки жлебове на три-фазната граница в рамките на 200 часа периодично обслужване?

Натриевият хипохлорит (NaOCl) обикновено се прилага за дезинфекция в системи за пречистване на общинска вода, канализация на хранително-вкусовата промишленост и фармацевтични CIP (clean{0}}in-place). Електрически нагревателни тръби обикновено се използват в контурите за рециркулация на хипохлорит, за да поддържат температурата на разтвора в диапазона 30–50 градуса за оптимална ефективност на дезинфекцията. Повредите на място в няколко станции за пречистване на вода обаче показаха, че обвивките от неръждаема стомана 316 са податливи на силно локализирана, тежка атака на жлебове на трифазната граница въздух-течност-пара-за 200 до 500 часа периодично обслужване. Тази атака не се наблюдава при постоянни мокри или напълно сухи условия. Три-фазовата граница, където обвивката напуска разтвора на хипохлорита и навлиза в парното пространство отгоре, е изложена на уникална комбинация от условия, включително цикли на намокряне и сушене, обогатяване с кислород чрез контакт с въздуха, изпаряване на хипохлоритни и хлоридни видове, причиняващи концентрация, и разлагане на хипохлорита до хлорен газ (Cl2). Резултатът е самоподдържаща се -корозионна клетка, която изрязва периферен жлеб в обвивката на нивото на течността, като обикновено прониква напълно в стената в рамките на седмици. Това проучване определя количествено скоростта на корозия на жлебовете на три-фазната граница в услугата NaOCl и представя проектни и оперативни препоръки за избягване на този режим на повреда.

Електрохимия на три{0}}фазната граница в разтвори на хипохлорити
Разтворите на натриев хипохлорит са по своята същност нестабилни и се разлагат съгласно 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 и също 2NaOCl → 2NaCl + O2. Разлагането се ускорява около 30-50oC. Тънкият филм от хипохлоритен разтвор, овлажняващ обвивката над нивото на обемната течност на три-фазовата граница (въздух-течност-обвивка) бързо се изпарява, концентрирайки хипохлорита от обичайните 0,5–2,0% достъпен хлор до 10–15% в изпаряващия се филм. Концентрираният хипохлорит се разлага по-бързо, за да се получи хлорен газ (Cl₂), който е много корозивен за неръждаема стомана 316 и локално интензивно окисляваща среда с ниско pH. В същото време циклите на намокряне и сушене изключват създаването на стабилен пасивен филм. По време на сухата част от цикъла всеки образуван пасивен филм е изсъхнал и счупен. По време на етапа на повторно овлажняване свеж хипохлорит атакува открития метал, преди да може да се образува ново покритие.

Създаването на диференциална аерационна клетка ускорява механизма на набраздяване. Зоната под линията на течността е -изчерпана на кислород (тъй като разграждането на хипохлорита консумира кислород), докато тънкият слой над три-фазната граница е-богат на кислород от контакт с въздуха. Богатата на кислород зона става катодна, а металът точно отдолу става аноден. Анодният ток е локализиран в линията на течността и развива задълбочаваща се и разширяваща се бразда с течение на времето.

Количествено определяне на скоростите на корозия при набраздяване на три{0}}фазната граница
316 проби от обвивка от неръждаема стомана (1,5 mm стена, 12 mm OD, разтвор -закален) бяха частично потопени в 1,0% наличен разтвор на хлор NaOCl (начално рН 10,5) при 40 градуса при контролирано изпитване, с ниво на течността в средата на-дължина. Тестът се редува между нагряване (обвивката е захранвана до 50 градуса повърхностна температура) и празен ход (без нагряване, 40 градуса баня) при 6-часов цикъл на включване/6-часа изключване. На интервали пробите се проверяват за дълбочина на канала при първоначалното ниво на течността. Дълбочината на браздите беше оценена с помощта на секциониране и оптична микроскопия.

Време на експозиция (часове) Брой мокри-сухи цикли (6 часа всеки) Максимална дълбочина на канала (μm) Ширина на канала (mm) Намаляване на дебелината на стената при канала (от 1,5 mm)
0 0 0 0 0% 100 8 (прибл.) 45 0.8 3% 200 17 110 1.2 7% 300 25 210 1.5 14% 400 33 380 2.0 25% 500 42 620 2.5 41% (близо до перфорация)
600 50 880 (перфориран) 3.0 59%
Скоростта на набраздяване беше около 1,5-2,0 um/h експозиция, приблизително постоянна след първоначална инкубация от 50-100 часа. За 1,5 mm стена прогнозираното време до перфорация е 600-800 часа (25-33 дни) при непрекъснат цикъл. При обслужване на място с удължени цикли на изключване и различни условия повредата често е била в рамките на 200-500 часа (8-21 дни).

Сравнение с непрекъснато потапяне и други фактори
Бяха проведени контролни тестове за изолиране на ефекта на три-фазната граница при различни ситуации. Статистиката по-долу показва, че няма увреждане на трифазното гранично състояние в сравнение с непрекъснатото потапяне (без мокро-сухо циклиране) и изцяло сухо излагане.

Условия на изпитване Концентрация на NaOCl (% наличен Cl 2) Температура (градуси) Време на излагане (часове) Максимална дълбочина на корозия (μm) Състояние на повърхността
Напълно потопен (без въздушен интерфейс) 1.0 40 500 25 Леко хлътване, равномерно
Напълно потопен 1.0 50 (нагрята обвивка) 500 45 Питинг, без жлебове
Частично потопено, постоянно ниво на течността (без цикличност) 1.0 40 500 180 (на линията на течността) Набраздяване, по-малко тежко
Частично потопено, циклично мокро-сухо (нагряване вкл./изкл.) 1.0 40/50 500 620 Дълбоко нарязване
Частично потопен, pH регулирано до 9,5 (като натриев карбонат) 1.0 40/50 500 85 Леки набраздявания
Частично потопен, продухване с азот над парното пространство 1.0 40/50 500 110 Намалено набраздяване
Частично потопена, дейонизирана вода (без NaOCl) 0 40/50 500 0 Без корозия
Критичните фактори са наличието на хипохлорит, наличието на граница на течност-пари, мокро-сух цикъл и достъп на кислород до парното пространство. Елиминирането на който и да е от тези фактори намалява набраздяването в съотношение 3–7.

Ефект на химикалите върху скоростта на нарязване
Скоростта на набраздяване е доста чувствителна към наличната концентрация на хлор в разтвора на хипохлорита. По-високите концентрации водят до по-бързо разграждане на хипохлорита, повишено производство на хлорен газ и по-агресивна концентрация на изпарение. Тестовете при постоянни 40 градуса с 6-часови цикли мокро-сухо и 500 часа обща експозиция доведоха до следната връзка:

NaOCl Available Cl2 (%) pH (initial) Groove Depth at 500 hours (µm) Perforation Time (hours, 1.5 mm wall) Vapour Space Cl2 Odour Observed 0.1 10.0 45 >5000 (не е постигнато) Няма 0.5 10.3 180 2500 Леко 1.0 10.5 620 600-800 Силно 2.0 11.0 1050 (перфорирано < 500 часа) 300-400 Много силно
1.0 с поглъщащ хлор (тиосулфат, 10 ppm) 10.5 85 2800 Не
Прогнозираното време за перфорация за набраздяване в типичните контури за дезинфекция на питейна вода с 0,5–1,5 % NaOCl е 2–8 седмици за 316 обвивки. Наличието на тиосулфат ефективно изразходва свободния хлор и избягва набраздяването, но може да намали ефективността на дезинфекцията.

Примери за аварии на място в пречиствателни станции
Преглед на 23 общински съоръжения за пречистване на вода, използващи 316 нагреватели от неръждаема стомана в рециркулационни контури на NaOCl (0,5–1,2% наличен Cl₂, 35–45 градуса, периодична работа на помпата с мокри-сухи цикли на всеки 4–12 часа) показа следните модели на повреда:

Модел на работа на съоръжението Приблизителни мокри-сухи цикли на ден Дефинирано време за пробиване на канала
Завод A (1,2 % NaOCl) Непрекъсната рециркулация, постоянно ниво 0 (без цикличност) 8-12 месеца (без жлеб, само питинг)
Растение B (1,0% NaOCl) Прекъсващо, 6 часа включено / 6 часа изключено, нивото варира 2 18 d
Plant C (0.8% NaOCl) Intermittent, 8 hr on / 16 hr off, level fluctuates 1.5 25 days
Завод D (0,5% NaOCl) Прекъснат, помпа на всеки 4 часа, нивото се понижава между циклите 6 12 дни
Инсталация E (0,5% NaOCl, ниво на течността, контролирано от поплавъчен клапан) Прекъснато нагряване, но без цикъл на ниво 0 (без промяна на нивото) 6 месеца (без жлеб)
Растения A и E предполагат, че поддържането на стабилно ниво на течността (без мокро-сухо циклизиране на повърхността на обвивката) е по-важно от наличието на висока концентрация на хипохлорит за предотвратяване на набраздяване. Концентрацията не е повлияла на степента на повреда на инсталации с колебания на нивото или партидна работа, при която нагревателят е бил изложен по време на циклите на източване.

Дизайн и оперативни стратегии за предотвратяване на три{0}}фазно нарязване
Използват се три инженерни решения за смекчаване или драстично минимизиране на три{0}}фазните жлебове в услугата с NaOCl. Най-сигурният начин е да държите нагревателя изцяло под вода през цялото време. Проектирайте резервоара или контура с минимално ниво на течност над горната част на нагревателния елемент. Осигурете прекъсвач за ниско ниво, който-изключва нагревателя, когато нивото на течността падне под горната част на обвивката.

Второто е да се поддържа течността на еднородно ниво, независимо от действието на помпите или нагревателите, като по този начин се избягва мокро-сухо циклиране, когато няма достатъчно течност, за да бъде напълно потопена. Преливник с постоянно ниво или контролен клапан на нивото спира повърхността на течността да премине през повърхността на обвивката.

Третият подход е за системи, при които вариацията на нивото не може да бъде предотвратена. Хоризонтален монтаж на нагревателя, а не вертикален. Когато тръбата е хоризонтална, три-фазовата граница е само една линия в горната част на тръбата вместо цял кръг. Освен това жлебът, образуван в горната част, не достига толкова бързо границата на налягането. Освен това може да се изгради хоризонтална тръба с нагревателен елемент, разположен ексцентрично към дъното, така че горната част на обвивката да не се нагрява директно, като по този начин се понижава локалната температура на три-фазната граница.

Заместители на услугата за хипохлорит
Ако е необходима неръждаема стомана 316, но трифазното излагане не може да бъде избегнато, тогава надграждането на материала на обвивката има известно предимство. Няма обикновена неръждаема стомана, която да е наистина устойчива на състоянието на трифазния хипохлорит.

Материал на обвивката Дълбочина на канала при 500 часа, 1% NaOCl, 40 градуса, мокро-сухо циклиране (um) Относителна цена (срещу 316) Препоръчителна
316 неръждаема стомана 620 1.0 Не (бърза повреда)
904L (UNS N08904) 280 2.5 Гранична линия
Сплав 825 (UNS N08825) 120 4.0 Приемливо с контрол на нивата
Титан клас 2<10 2.2 Yes (very good)
Титан клас 7<5 2.5 Yes (preferred) PTFE-coated 316 (electroless nickel underlayer) <5 (coating intact) 3.0 Yes, but danger of coating deterioration
Титан клас 2 или клас 7 е устойчив на хипохлорит при температури до 70 градуса и е пасивен дори при трифазни обстоятелства. Полевите данни от завод за хранително-вкусова промишленост, където 316 обвивки бяха заменени с титаниева степен 2 в 0,8% NaOCl CIP контур, не показаха набраздяване или вдлъбнатини след 24 месеца периодична работа, където 316 обвивки преди това се повреждаха на всеки 3-4 седмици.

Език на спецификациите на хипохлоритния нагревател
При закупуване на електрически нагревателни тръби за обслужване с натриев хипохлорит, където има някаква възможност за мокър-сух цикъл или колебания в нивото, инженерите трябва да изискват материал за обвивка от титан от клас 2 или клас 7 като минимум. Когато в съществуваща система се използва неръждаема стомана 316, се включват следните експлоатационни изисквания: а) нивото на течността се поддържа над най-горния нагревателен елемент през цялото време посредством система за контрол на нивото; (b) Осигурява се -превключвател за изключване на ниско ниво, свързан с контактора на нагревателя, за -дезактивиране на нагревателя, ако нивото падне под безопасния минимум; (c) Системата трябва да бъде проектирана за непрекъсната работа с постоянно ниво, а не за операции на партидно източване-и-пълнене; г) Обвивката трябва да се проверява ежемесечно на нивото на течността за жлебове чрез ултразвуково измерване на дебелината или визуална проверка през наблюдателно стъкло. За нови инсталации със съдържание на хипохлорит над 0,2% наличен Cl 2 и температура над 35 градуса, посочете материал на обвивката от клас 7 на титан и хоризонтална ориентация на нагревателя. Трифазната граница при работа с хипохлорит представлява уникална агресивна микро-среда, която е фундаментално различна от пълно потапяне или излагане на фаза на пара. Инженерите, които разбират това, могат да изберат подходящите материали и дизайн на системата, за да избегнат бързата повреда на каналите, която е типична за това приложение.