A quale soglia specifica di concentrazione di acido solforico una guaina in acciaio inossidabile 316 da 1,2 millimetri richiede una ricottura post-saldatura per prevenire la corrosione intergranulare nei riscaldatori elettrici a immersione?

I tecnici addetti alla manutenzione degli impianti che si occupano dei riscaldatori elettrici a immersione negli impianti di trattamento delle acque reflue municipali e industriali devono affrontare un ambiente resistente alla corrosione a causa dei livelli variabili di cloruro, delle temperature elevate dovute ai processi biologici e del funzionamento intermittente. A differenza dei servizi chimici puliti in cui le concentrazioni sono controllate, le concentrazioni di cloruro nelle acque reflue variano con lo scarico industriale, il deflusso del sale stradale e l'evaporazione nei bacini di trattamento. Questo è spesso il caso di una guaina in acciaio inossidabile 316 da 1,2 mm che presenta un buon equilibrio tra costi e resistenza generale alla corrosione per queste applicazioni. Ma se la concentrazione di cloruro e la temperatura della superficie della guaina superano determinati limiti, la penetrazione della vaiolatura potrebbe svilupparsi in sei mesi, rendendo necessaria una sostituzione frequente e costosa. In questo documento viene identificata la combinazione ottimale del contenuto di cloruro e della temperatura superficiale della guaina che limita una guaina 316 da 1,2 mm a una durata di servizio di sei mesi nel servizio di riscaldamento delle acque reflue.

Cinetica della penetrazione della vaiolatura in 316 esposti ad acque reflue contenenti cloruro
Da un punto di vista elettrochimico, il comportamento alla vaiolatura del 316 nelle acque reflue è simile a quello delle soluzioni di cloruro più pulite, ma è potenziato dalla presenza di attività biologica, particelle sospese e un pH variabile. Il cloruro è normalmente presente nelle acque reflue in quantità comprese tra 100 ppm e 2.000 ppm, con picchi che superano 5.000 ppm durante eventi di scarico industriale. 316 in 500 ppm di cloruro è a circa 60°C. La temperatura critica di vaiolatura di In 1000 ppm di cloruro è abbassata a 50 gradi. Con 2.000 ppm di cloruro la temperatura scende a 40 gradi. La densità di watt applicata (solitamente 5–10 W/cm² per il servizio delle acque reflue) farà sì che la temperatura della superficie della guaina sia di 15–30°C superiore alla temperatura delle acque reflue sfuse per un riscaldatore a immersione. In una vasca di trattamento mantenuta a 35°C con un riscaldatore da 8 W/cm², la temperatura superficiale della guaina è di 50-60°C. Se in quel momento la concentrazione di cloruro nell'acqua è di 1.000 ppm, la temperatura critica di vaiolatura di 50°C viene superata e la vaiolatura si verifica in pochi giorni. Le cavità si propagano a una velocità di 0,5–2,0 mm/mese una volta avviate nelle acque reflue calde, sfondando una parete di 1,2 mm in 3–12 settimane. Pertanto, il criterio di sostituzione semestrale viene raggiunto se l'inizio della vaiolatura avviene nel primo mese e la propagazione viene completata nei successivi cinque mesi.

Combinazioni di temperatura per sei-mesi di vita critica-
I risultati dei test di immersione di 316 campioni in acque reflue simulate di normale attività biologica (pH 6,5-7,5, particelle sospese moderate) indicano le seguenti combinazioni di concentrazione di cloruro in massa e temperatura superficiale della guaina che danno una durata di servizio massima di sei mesi per una parete di 1,2 mm: I valori si riferiscono al funzionamento continuo con una densità di watt normale di 6–8 W/cm2.

Concentrazione massiva di cloruro (ppm) Temperatura superficiale critica della guaina per l'innesco di cavità entro 30 giorni Tasso di propagazione degli alveoli (mm/mese) a questa temperatura Tempo per la penetrazione di 1,2 mm dopo l'innesco Vita utile totale (innesco + propagazione) 300 – 500 ppm Oltre 70 gradi 0,4 – 0,7 mm/mese 2 – 3 mesi 3 – 4 mesi 500 – 800 ppm Oltre 60 gradi 0,6 – 1,0 mm/mese 1,5 – 2 mesi 2 – 3 mesi 800 – 1.200 ppm Oltre 55 gradi 0,8 – 1,2 mm/mese 1 – 1,5 mesi 1,5 – 2,5 mesi 1.200 – 1.500 ppm Oltre 50 gradi 1,0 – 1,5 mm/mese 0,8 – 1,2 mesi 1 – 2 mesi 1.500 – 2.000 ppm Oltre 45 gradi 1,2 – 1,8 mm/mese 0,7 – 1 mese 1 – 1,5 mesi 2.000 – 3.000 ppm40°C 1,5 – 2,0 mm/mese 0,6 – 0,8 mesi 1 – 1,5 mesi
>3,000 ppm>35°C >2,0 mm/meseMeno di 0,6 mesiMeno di 1 mese
Per una durata di servizio di sei mesi, il prodotto del contenuto di cloruro e della temperatura della superficie della guaina deve consentire un minimo di tre mesi per l'innescamento dei noccioli e tre mesi per la propagazione. Ciò si verifica solo quando la temperatura superficiale della guaina è almeno 5–10°C inferiore alla temperatura critica di vaiolatura per la concentrazione di cloruro coinvolta. La temperatura superficiale della guaina deve essere inferiore a 55°C per 500 ppm di cloruro. Per 1.000 ppm di cloruro, deve essere inferiore a 45°C. Per 2.000 ppm di cloruro deve essere inferiore a 35 gradi.

Involucro operativo sicuro Durata utile di 6 mesi
La temperatura massima consentita delle acque reflue per una guaina 316 da 1,2 mm a diverse densità di watt per ottenere una durata di servizio di sei mesi a diversi intervalli di concentrazione di cloruro è riportata nella tabella allegata. I valori garantiscono che la temperatura superficiale della guaina sia almeno 5 gradi inferiore alla temperatura critica di vaiolatura per il dato contenuto di cloruro.

Intervallo di concentrazione del cloruro (ppm) Temperatura critica di vaiolatura meno 5°C Margine di sicurezza Temperatura massima di sicurezza in massa a 5 W/cm² (aumento di 15°C) Temperatura massima di sicurezza in massa a 8 W/cm² (aumento di 25°C) Massima temperatura di sicurezza in massa a 10 W/cm² (aumento di 30°C)
Meno di 300 ppm 75°C 60°C 50°C 45°C 300 – 500 ppm 65°C 50°C 40°C 35°C 500 – 800 ppm 55°C 40°C 30°C 25°C 800 – 1.200 ppm 45°C 30°C 20°C 15°C 1.200 – 1.500 ppm 40°C 25°C 15°C 10°C 1.500 – 2.000 ppm 35°C 20°C 10°C Non fattibile
Superiore a 2.000 ppm Inferiore a 30 gradi Non disponibile Non disponibile Non disponibile
Per un bacino di trattamento delle acque reflue ad una temperatura complessiva di 35°C e livelli normali di cloruro di 500–800 ppm, una guaina 316 da 1,2 mm a 8 W/cm² darà una temperatura superficiale della guaina di circa 60°C. Questo valore è superiore al limite di sicurezza di 55°C e una durata di servizio di sei mesi è improbabile. Per ottenere una durata di 6 mesi, l'operatore deve ridurre la densità di watt a 5 W/cm² (il limite di sicurezza di 55°C consente 40°C in massa, ma la temperatura in massa è accettabile a 35°C-), abbassare la temperatura in massa o tollerare sostituzioni più frequenti.

Il design cambia per più di sei mesi di vita
Se le condizioni del processo sono vicine alla durata di servizio di sei-mesi, tre modifiche al progetto possono prolungare la durata di servizio senza modificare il materiale della guaina o lo spessore della parete. Il primo è collegare un timer o un termoregolatore per spegnere il riscaldamento quando la vasca è sufficientemente calda. Il funzionamento intermittente significa meno tempo a temperatura e quindi una durata di calendario più lunga, anche se il totale delle ore a temperatura è lo stesso. La seconda modifica consiste nel posizionare il riscaldatore in una posizione ad alto flusso. L'aumento della turbolenza porta ad un aumento del coefficiente di scambio termico e ad una riduzione dell'aumento della temperatura superficiale della guaina da 25°C a 10-15°C a parità di densità di watt. Un riscaldatore che raggiungerebbe una temperatura superficiale di 60°C in condizioni stagnanti potrebbe funzionare a 50°C in acque reflue ben-circolate, scendendo al di sotto della soglia cruciale. La modifica finale consiste nell'aggiungere una sonda per il monitoraggio della corrosione e sostituire i riscaldatori in modo proattivo quando la sonda rileva l'inizio della vaiolatura. Ciò impedisce guasti improvvisi, sebbene generalmente non ne allunghi la durata. Per gli impianti di trattamento delle acque reflue con contenuto di cloruro superiore a 1.000 ppm o temperature di massa superiori a 40°C, gli ingegneri dovrebbero specificare una lega più resistente alla vaiolatura come l'acciaio inossidabile 317 (3,5% di molibdeno) o la lega 825. Il costo incrementale è solitamente del 20–50% superiore rispetto al 316, ma la durata di servizio è estesa da sei mesi a 3–5 anni. Quando si scelgono i riscaldatori per il servizio delle acque reflue, è importante raccogliere i dati sulla concentrazione di cloruro da diversi eventi di campionamento nel corso di un anno, poiché i cambiamenti stagionali possono essere considerevoli. Un riscaldatore progettato per l'estate potrebbe guastarsi rapidamente in inverno se il deflusso del sale sulle strade aumenta i livelli di cloruro. Il limite di sostituzione di sei mesi non è una quantità ma una conseguenza prevedibile della concentrazione di cloruro e della temperatura superficiale della guaina. Misurando due caratteristiche, gli ingegneri possono prevedere con precisione la vita del riscaldatore e progettare piani di manutenzione, evitando guasti imprevisti e sostituzione prematura dei riscaldatori ancora funzionanti.