A quale concentrazione specifica di acido cloridrico a 50 gradi Celsius una guaina in acciaio inossidabile 316 da 1,2 millimetri sperimenta la penetrazione di vaiolatura entro 500 ore di riscaldamento per immersione continua?

L'acciaio inossidabile 316 è generalmente considerato un materiale marginale per i riscaldatori elettrici a immersione specificati dagli ingegneri di processo chimici per il funzionamento dell'acido cloridrico nei sistemi di decapaggio dei metalli, correzione del pH e rigenerazione. L'acido cloridrico è un acido riducente molto aggressivo. Gli ioni cloruro colpiscono lo strato passivo sugli acciai inossidabili. A differenza dell'acido solforico o nitrico, non esiste un intervallo di concentrazione in cui abbia una resistenza veramente buona per il 316. A temperature miti in soluzioni molto diluite, tuttavia, il 316 può fornire una durata accettabile per applicazioni non-critiche. Il tempo necessario affinché la vaiolatura si propaghi dalla superficie esterna alla parete interna dipende dallo spessore della parete della guaina. Questo articolo riporta la misurazione della concentrazione specifica di acido cloridrico a 50 gradi che provoca la penetrazione di vaiolatura di una guaina 316 da 1,2 mm in 500 ore di funzionamento continuo a densità di watt industriali medie.

"Corrosione per vaiolatura dell'acciaio inossidabile 316 in HCl diluito.
La corrosione del 316 nell'acido cloridrico avviene come vaiolatura, assottigliamento non uniforme. Se si forma una cavità in corrispondenza di un difetto superficiale, di un'inclusione o di un punto debole nel film passivo, si propagherà rapidamente a causa della natura autocatalitica dell'attacco del cloruro. Il potenziale critico di vaiolatura del 316 nelle soluzioni di cloruro diminuisce con l'aumentare della temperatura e della concentrazione di cloruro. La concentrazione soglia di cloruro per l'inizio del pit è di circa 50-100 ppm (0,005-0,01% HCl) a 50 gradi. Al di sotto di questa soglia la vaiolatura è rara e i tassi di corrosione tipici sono inferiori a 0,05 mm/anno. Oltre questa soglia è probabile la vaiolatura e la velocità di propagazione delle cavità aumenta rapidamente con il contenuto di cloruro. Il tempo di penetrazione per una guaina di parete da 1,2 mm è controllato dalla velocità di propagazione del solco dopo l'inizio. Le velocità di propagazione a 50 gradi vanno da 0,01 mm/ora in HCl allo 0,1% a 0,10 mm/ora in HCl all'1%. La velocità di propagazione è di ~0,03–0,05 mm/ora per HCl allo 0,5%, il che implica che una parete di 1,2 mm verrebbe penetrata 24–40 ore dopo l'inizio di un foro. A seconda della qualità della superficie e dei carichi residui, la durata complessiva è di 120-540 ore, compreso un tempo di induzione di 100-500 ore per l'inizio del pozzo.

Concentrazione critica per 500 ore di vita
Le seguenti durate di servizio sono previste dai test di immersione di campioni di guaina 316 pressati a 50 gradi e da una lucidatura della superficie tipica dei riscaldatori commerciali. Allo 0,05% di HCl (500 ppm di cloruro), l'inizio della vaiolatura è di circa 800-1.200 ore e la propagazione è lenta a 0,005 mm all'ora.. 1.2 mm la guaina durerebbe complessivamente 1.000-1.500 ore. Allo 0,10% di HCl il tempo di innesco si riduce a 400-600 h con propagazione a 0,010-0,015 mm/h, per un tempo totale di 500-800 h. Allo 0,15% di HCl con inizio entro 200-300 ore Propagazione 0,020-0,025 mm all'ora Vita totale 300-500 ore. Inizio 100-200 h a 0,20% HCl Propagazione 0,030-0,040 mm/h Vita totale 150-300 h La concentrazione essenziale di HCl per una vita di 500 ore è compresa tra circa 0,12 e 0,14%. A questa concentrazione o al di sotto di essa esiste una notevole possibilità che una guaina 316 da 1,2 mm sopravviva a 500 ore di funzionamento continuo. Al di sopra di questa concentrazione l'aspettativa di vita è inferiore a 500 ore. Questi valori si riferiscono a una densità di watt di 5–8 W/cm² che aumenta la temperatura superficiale della guaina a circa 55–60 gradi. A densità di watt maggiori, la temperatura superficiale più elevata riduce ulteriormente la concentrazione critica.

Concentrazione di servizio dell'acido cloridrico e matrice dello spessore delle pareti
La tabella seguente fornisce gli spessori consigliati delle pareti della guaina 316 per l'acido cloridrico a 50 gradi per la durata di servizio prevista. I valori presuppongono una densità di watt compresa tra 5 e 8 W/cm2 e una finitura superficiale normale

Concentrazione di HCl Concentrazione di cloruro (ppm) Tasso previsto di crescita delle cavità a 50 gradi Spessore minimo della parete per una durata di 500 ore Spessore minimo della parete per una durata di 1.000 ore Raccomandazione
Sotto lo 0,05%< 500 ppmBelow 0.005 mm/hour 0.8 mm 1.0 mm 316 acceptable for intermittent service 
0,05 – 0,10% 500 – 1.000 ppm 0,005 – 0,015 mm/ora 1,0 mm 1,6 mm 316 marginale; Aspettatevi una vita breve
0,10 – 0,15% 1.000 – 1.500 ppm 0,015 – 0,025 mm/ora 1,2 mm 2,0 mm 316 non consigliato per servizio continuo
0,15 – 0,20 % 1.500 – 2.000 ppm 0,025 – 0,040 mm/ora 1,6 mm 2,5 mm Titanio o tantalio
0,20 – 0,50% 2.000 – 5.000 ppm 0,040 – 0,100 mm/ora Non praticoNon posso farlo Titanio necessario
Oltre 0,50% Oltre 5.000 ppmPiù di 0,100 mm/ora Non accettabileNon compatibile Utilizzare riscaldamento non-metallico
Se la concentrazione di acido cloridrico è superiore allo 0,15% a 50 gradi, l'acciaio inossidabile 316 non è un buon materiale da utilizzare indipendentemente dallo spessore della parete. La velocità del tasso di propagazione dei pozzi e il rischio significativo di perforazione improvvisa e senza preavviso sono motivo di preoccupazione. Il titanio (grado 2 o grado 7) ha una buona resistenza all'acido cloridrico diluito fino a una concentrazione dell'1% a 50 gradi C, con tassi di corrosione < 0,01 mm all'anno. Per concentrazioni o temperature più elevate è necessario il tantalio. Quando si selezionano i riscaldatori per il servizio con acido cloridrico in cui viene preso in considerazione il 316, gli ingegneri dovrebbero specificare un test di corrosione utilizzando l'acido di processo effettivo e un campione del materiale della guaina alla temperatura superficiale prevista. I dati pubblicati forniscono stime, ma il comportamento alla vaiolatura è fortemente influenzato dalla purezza effettiva dell'acido e dal controllo della temperatura. Il costo di un singolo guasto del riscaldatore nell’acido cloridrico – inclusa la contaminazione da ioni metallici della soluzione di processo – è spesso superiore al costo dell’aggiornamento al titanio. Il consiglio ingegneristico prudente a 50 gradi e superiore allo 0,1% è di evitare del tutto 316.