A quale specifica combinazione di concentrazione di cloruro e temperatura superficiale della guaina una guaina in acciaio inossidabile 316 da 1,6 millimetri passa dalla corrosione per vaiolatura passiva a quella attiva nel servizio di riscaldamento del serbatoio di stoccaggio atmosferico?

Per l'ingegnere di processo responsabile dei riscaldatori elettrici ad immersione in serbatoi di stoccaggio atmosferici contenenti soluzioni contenenti cloruro, come acqua prodotta, effluenti di dissalazione e acqua di lavaggio industriale, la differenza tra corrosione per vaiolatura passiva e attiva è la differenza tra una guaina di acciaio inossidabile 316 che dura dieci anni o dieci settimane. Ma le circostanze nei serbatoi di stoccaggio dell'aria sono statiche o si muovono lentamente con concentrazioni variabili di cloruro a causa dell'evaporazione e della stratificazione, mentre la soluzione fresca è costantemente in contatto con la guaina nei sistemi a flusso continuo. Uno spessore tipico della parete è 1,6 mm. È un compromesso tra resistenza meccanica e trasferimento pratico del calore. La temperatura critica di vaiolatura e la concentrazione critica di cloruro per 316 non sono numeri statici ma interagiscono con l'aumento della temperatura della superficie della guaina indotto dalla densità di watt applicata. Questo articolo presenta la concentrazione di cloruro e la temperatura superficiale della guaina alla quale una parete di 1,6 mm cambia da passiva (tasso di corrosione<0.05 mm/year) to active pitting (penetration within months).

La temperatura critica di vaiolatura e l'interazione con il cloruro
La temperatura critica di vaiolatura dell'acciaio inossidabile 316 in una data concentrazione di cloruro è la temperatura alla quale i buchi stabili possono nucleare e crescere. Al di sotto di questa temperatura il film passivo rimane intatto e i tassi di corrosione sono insignificanti. È una relazione inversa. Maggiore è la concentrazione di cloruro, minore è la temperatura critica di vaiolatura. La temperatura critica per vaiolatura è di circa 80°C in 100 ppm di cloruro. In 1.000 ppm di cloruro si abbassa a 55 gradi. A 5.000 ppm di cloruro scende a 35 C. A 10.000 ppm di cloruro (1% NaCl), la temperatura critica per vaiolatura è di circa 25 gradi. Il flusso di calore proveniente dai riscaldatori ad immersione fa sì che la temperatura della superficie della guaina sia di 15-40 gradi superiore alla temperatura del serbatoio. La temperatura superficiale della guaina di un serbatoio a 40 gradi con un riscaldatore da 8 W/cm² potrebbe essere di 60–70 gradi. Se la concentrazione di cloruro nel serbatoio è di 1.000 ppm, la temperatura critica di vaiolatura di 55 gradi viene superata e l'inizio della vaiolatura avverrà entro poche settimane. Il tempo necessario alla perforazione una volta iniziata la vaiolatura è regolato dallo spessore della parete di 1,6 mm, che a tassi di propagazione tipici di 0,5–2,0 mm al mese significa cedimento in 1–3 mesi.

Soglie di transizione critica della guaina da 1,6 millimetri
I test di immersione con 316 campioni con lucidatura superficiale caratteristica delle guaine riscaldanti pressate hanno prodotto le seguenti soglie di transizione per una parete di 1,6 mm con una densità di watt di 6-10 W/cm2. Si prevede che la temperatura del serbatoio principale sia di 10–20 gradi inferiore alla temperatura della superficie della guaina.

Concentrazione di cloruro (ppm) Temperatura critica di vaiolatura per 316 ( gradi ) Temperatura minima della superficie della guaina per transizione da passivo-a-attivo Temperatura sicura del serbatoio di massa per guaina da 1,6 mm a 8 W/cm2 Transizione della durata di servizio prevista
< 100 ppm < 80°C 80°C < 65°C 5-10 years 100 - 500 ppm 65 - 80°C 65 - 80°C < 50 - 65°C 2-5 years 500 - 1,000 ppm 55 - 65°C 55 - 65°C < 40 - 50°C 1-2 years 1,000 - 2,000 ppm 45 - 55°C 45 - 55°C < 30 - 40°C 6-12 months 2,000 - 5,000 ppm 35 - 45°C 35 - 45°C < 20 - 30°C 3-6 months 5,000 - 10,000 ppm 25 - 35°C 25 - 35°C < 10 - 20°C 1-3 months
>10.000 ppm< 25 °CBelow 25 degrees CNot safe regardless of temperature Weeks to months
Per il serbatoio di stoccaggio con una temperatura apparente di 50°C e guaina da 1,6 mm a 8 W/cm 2, la temperatura superficiale della guaina è di circa 65-70°C. La concentrazione di cloruro deve essere inferiore a 500 ppm per rimanere al di sopra della temperatura critica di vaiolatura. La vaiolatura attiva inizierà entro poche settimane al livello cruciale di 55 gradi con un livello di cloruro di 1.000 ppm e una temperatura superficiale. Se il contenuto di cloruro nel serbatoio è maggiore di 2.000 ppm, 316 non è appropriato a qualsiasi temperatura pratica di massa, poiché la temperatura superficiale della guaina richiesta per produrre anche un piccolo flusso di calore sarà superiore alla temperatura critica per la vaiolatura.

Matrice della busta operativa sicura con rivestimento da 1,6 millimetri
La tabella seguente elenca la temperatura massima sicura del serbatoio per una guaina 316 da 1,6 mm a varie densità di watt e concentrazioni di cloruro. Questi valori garantiscono che la temperatura della superficie della guaina sia almeno 5 gradi inferiore alla temperatura critica di vaiolatura per quella concentrazione di cloruro.

Concentrazione di cloruro (ppm) TEMPERATURA SUPERFICIALE GUAINA TEMPERATURA SUPERFICIALE GUAINA TEMPERATURA SUPERFICIALE GUAINA (5 W/cm2) (8 W/cm2) Sicurezza massima Sicurezza massima Sicurezza massima Temperatura massima di sicurezza 12 W/cm²
Inferiore a 100 ppm 75 gradi 65 gradi 60 gradi 50 gradi 100 – 250 ppm 70 gradi 60 gradi 55 gradi 45 gradi 250 – 500 ppm 65 gradi 55 gradi 50 gradi 40 gradi 500 – 750 ppm 60 gradi 50 gradi 45 gradi 35 gradi 750 – 1.000 ppm 55 gradi 45 gradi 40 gradi 30 gradi 1.000 – 1.500 ppm 50 gradi 40 gradi 35 gradi 25 gradi 1.500 – 2.000 ppm 45 gradi 35 gradi 30 gradi 20 gradi
2000 ppmNon sicuro Non sicuro Non sicuro Non sicuro
Se la temperatura superficiale calcolata della guaina è maggiore della temperatura critica per vaiolatura per il contenuto di cloruro riportato, la rottura per vaiolatura è inevitabile per qualsiasi applicazione. Lo spessore della parete di 1,6 mm offre un certo tempo di propagazione, tuttavia il riscaldatore dovrebbe essere considerato avente una durata di servizio finita e prevedibile in mesi anziché in anni.

Modifiche al design per evitare la transizione alla vaiolatura
Vicino al confine della transizione da passiva ad attiva delle condizioni di processo, è possibile implementare tre modifiche al progetto per evitare vaiolature senza modificare il materiale della guaina o lo spessore della parete. Il primo è ridurre la densità di potenza. Quando la temperatura superficiale della guaina diminuisce di 15–25 gradi a 5 W/cm² invece di 10 W/cm², il regime attivo può passare al regime passivo. La seconda modifica è quella di potenziare la circolazione su tutta la superficie della guaina. Un minuscolo agitatore o una pompa di circolazione possono ridurre l'aumento della temperatura superficiale della guaina del 40-60%, mantenendo la guaina al di sotto della soglia critica anche a densità di watt moderate. La modifica successiva consiste nel collegare una sonda per il monitoraggio della corrosione, un minuscolo coupon 316 accoppiato elettricamente alla guaina del riscaldatore. Un forte aumento della corrente galvanica indica l'inizio della vaiolatura attiva e fornisce un avvertimento precoce della penetrazione della guaina. Se la concentrazione di cloruro nel serbatoio varia a causa dell'evaporazione o di cambiamenti di lotto, gli ingegneri dovrebbero specificare 316L con un numero equivalente di resistenza alla vaiolatura più elevato e prendere in considerazione l'aggiornamento all'acciaio inossidabile 317 (3,5% di molibdeno) o alla lega 825 per un servizio affidabile a lungo termine. Il costo incrementale di una lega più resistente è generalmente inferiore al costo di un singolo guasto per vaiolatura in un serbatoio di stoccaggio, compresa la contaminazione del prodotto, lo svuotamento del serbatoio e la sostituzione del riscaldatore. • Quando si specificano i riscaldatori per i serbatoi di stoccaggio del cloruro, misurare sempre la concentrazione effettiva del cloruro alla temperatura operativa prevista. Calcolare la temperatura superficiale della guaina alla densità di watt consigliata. Per l'uso a lungo termine con una guaina 316 da 1,6 mm si consiglia un tampone di sicurezza di almeno 10 gradi al di sotto della temperatura critica di vaiolatura.