Qual è lo spessore critico della guaina per i riscaldatori in acciaio inossidabile 316 in una soluzione di incisione con cloruro ferrico al 15% a 55 gradi con immersione parziale

Il compromesso di base-nel servizio di cloruro ossidante aggressivo

FeCl₃ (cloruro ferrico) è uno dei composti più caustici frequentemente utilizzati nell'incisione industriale e nel trattamento delle acque reflue. Alla concentrazione del 15% e a 55°C questa soluzione ha tre fattori aggressivi: un'elevata concentrazione di ioni cloruro (circa il 10% in peso), uno ione ferrico ossidante che mantiene un elevato potenziale elettrochimico e un pH acido (solitamente 1,5-2,5). Questo ambiente è ben al di fuori del campo operativo standard dell'acciaio inossidabile 316. La temperatura critica di vaiolatura per il 316 nel cloruro ferrico è inferiore a 30°C e quindi a 55°C la vaiolatura è sicura e rapida. In questo servizio la funzione dello spessore della guaina non è quella di prevenire la corrosione, ma di fornire una riserva di metallo sufficiente per poter sopravvivere alla vaiolatura prevista e all'assalto uniforme per una durata di servizio limitata. Lo spessore critico è lo spessore minimo che può essere perforato nel tempo di esercizio richiesto e oltre il quale il metallo aggiuntivo ha rendimenti decrescenti poiché la velocità di corrosione è autoaccelerata.

Vaiolatura in soluzioni di cloruro ferrico

Il test usuale per la resistenza alla vaiolatura degli acciai inossidabili è ASTM G48 (non G46). Il test utilizza cloruro ferrico al 6% a 50°C. In queste condizioni, l'acciaio inossidabile 316 generalmente mostra vaiolature dopo 24-72 ore con profondità di cavità di 0,2-0,5 mm. L'aggressività è molto più elevata nel cloruro ferrico al 15% a 55°C. I risultati di laboratorio rivelano che i campioni di acciaio inossidabile 316 esposti al 15% di FeCl3 a 55 gradi sviluppano vaiolature visibili entro 4-8 ore, con profondità delle cavità che raggiungono 0,5-1,0 mm dopo 100 ore di esposizione continua. La vaiolatura è un processo autocatalitico, una volta avviato il nocciolo l'idrolisi del cloruro ferrico al suo interno crea un ambiente molto acido e ricco di cloruro che favorisce la successiva dissoluzione. I tassi di crescita delle fosse in questo ambiente sono lineari o leggermente accelerati, solitamente 0,1-0,3 mm per giorno di esposizione continua. Per un riscaldatore intermittente, ad esempio 8 ore al giorno, 5 giorni alla settimana, il tasso di sviluppo effettivo dei pozzi è di circa 0,03-0,10 mm per ogni giorno di funzionamento. La profondità massima prevista della fossa per una durata di servizio di sei mesi (circa. 500 ore di funzionamento) è di 2-5 mm.

Immersione Parziale e Attacco in Fase Vapore

La necessità di un'immersione parziale aggiunge un secondo meccanismo di guasto, più pericoloso. L'interfaccia liquido-vapore è particolarmente severa nel servizio con cloruro ferrico poiché l'evaporazione concentra il sale sulla superficie della guaina sopra la linea del liquido. L'acqua evapora ed i cristalli di cloruro ferrico si accumulano sulla guaina calda. Questi cristalli deliquescenti assorbono l'umidità dall'atmosfera e creano una salamoia satura che è più corrosiva della soluzione sfusa. La temperatura del liquido è solitamente inferiore alla temperatura della parte esposta della guaina al vapore, perché il raffreddamento ad aria è meno efficace del raffreddamento a liquido. Per un riscaldatore con una lunghezza di immersione totale di 500 mm e 100 mm sopra il liquido, la sezione esposta può essere di 80-100°C e la sezione immersa di 55-60°C. A queste temperature più elevate il tasso di corrosione nella zona del vapore può essere da 5 a 10 volte maggiore che nel liquido. Ripetute ispezioni sul campo di riscaldatori parzialmente sommersi in serbatoi di cloruro ferrico hanno dimostrato che il guasto si verifica all'interfaccia liquido-vapore e non nella regione completamente immersa. Pertanto lo spessore critico per questo servizio è controllato dalla velocità di attacco all'interfaccia piuttosto che dalla corrosione liquida in massa.

Vincoli termici e limite dei muri spessi

La penalizzazione termica delle pareti spesse è problematica nel servizio con cloruro ferrico, creando un pericoloso circolo vizioso. Se il riscaldatore è parzialmente immerso, la parte esposta viene raffreddata per convezione naturale dell'aria. Il coefficiente di trasmissione del calore dell'aria è di soli 10-30 W/m2·K, ma per i liquidi è di 500-1000 W/m2·K. La parte esposta brucia ad una temperatura molto più elevata rispetto alla parte immersa. L'utilizzo di una parete più spessa (2,5 mm invece di 1,5 mm) aumenta la temperatura della parte esposta di ulteriori 15-25°C, perché la parete più grande isola il filo della resistenza interna. La velocità di corrosione dell'acciaio inossidabile 316 nella salamoia di cloruro ferrico a 120°C è circa tre volte quella a 100°C. La parete più spessa, pur essendo intesa come maggiore riserva di metallo, può infatti diminuirne la durata, poiché aumenta la temperatura superficiale e accelera l'attacco. La modellazione termica suggerisce che un riscaldatore con diametro esterno di 12 mm che funziona a 8 W/cm² in cloruro ferrico a 55°C con 100 mm esposti all'aria a 25°C avrà la sezione esposta a 95°C per una parete da 1,2 mm, a 110°C per una parete da 1,8 mm e a 125°C per una parete da 2,5 mm. Il tasso di corrosione a 125 gradi è circa cinque volte quello a 95 gradi. Quindi la durata effettiva non aumenta proporzionalmente allo spessore.

Raccomandazioni sullo spessore critico per il servizio a breve termine

A causa dell'ambiente aggressivo e della natura-autoaccelerata dell'attacco, la filosofia di progettazione dei riscaldatori a base di cloruro ferrico deve passare da "lunga durata" a "breve durata prevedibile con sostituzione pianificata". Per una durata utile di 6 mesi con 8 ore di funzionamento al giorno è necessario uno spessore minimo di 1,8-2,0 mm. Lo spessore fornisce una riserva di metallo sufficiente per resistere alla vaiolatura prevista di 2-5 mm al contatto liquido-vapore. Le pareti più sottili (1,2-1,5 mm) solitamente si perforano in 2-4 mesi. Non sono suggerite pareti più spesse superiori a 2,5 mm, poiché la penalità termica aumenta la temperatura della sezione esposta nell'intervallo di temperature in cui la corrosione accelera al punto che il metallo aggiuntivo non offre alcun vantaggio netto. La durata di servizio di 3 mesi è sufficiente con uno spessore di 1,5-1,6 mm. 1.2mm di spessore può essere sufficiente per una durata di servizio di un mese o per procedure a lotto singolo. In ogni caso, il riscaldatore deve essere considerato un materiale di consumo con un programma di sostituzione prestabilito.

Strategie alternative che abbattono muri più spessi

L'acciaio inossidabile 316 di qualsiasi spessore non resiste in modo affidabile all'uso a lungo-termine in cloruro ferrico al 15% a 55°C con immersione parziale. La questione ingegneristica importante non è quale spessore utilizzare. La questione è se il 316 possa essere utilizzato. Il materiale standard per il riscaldamento del cloruro ferrico è il titanio (grado 2). Il titanio produce un rivestimento passivo stabile in cloruro ferrico e non si buca nemmeno a 80-90°C. Una guaina in titanio da 1,0-1,2 mm durerà 10-20 volte di più di una guaina in 316 da 2,5 mm. Se il titanio non è disponibile, è possibile ottenere un'eccellente resistenza con riscaldatori rivestiti in fluoropolimero (PTFE o PFA su un nucleo 316) che isolano il metallo dalla soluzione. Tuttavia, se l'applicazione prevede che il riscaldatore sia sempre completamente sommerso (senza interfaccia vapore), il 316 con uno spessore di 2,0 mm potrebbe durare da 6 a 12 mesi, ma l'opzione con rivestimento o titanio è ancora migliore.

Conclusione: spessore critico per la definizione della vita utile

Lo spessore essenziale della guaina per i riscaldatori in acciaio inossidabile 316 in cloruro ferrico al 15% a 55 gradi con immersione parziale è 1,8-2,0 mm per una durata di servizio di sei-mesi in funzionamento intermittente. Questo spessore è un compromesso tra la necessità di una riserva di metallo e l'accelerazione termica della corrosione che avviene con pareti più spesse. Le pareti sottili cedono prematuramente a causa della foratura nel contatto liquido-gas. Le barriere più spesse non aggiungono vita, ma attaccano velocemente e aumentano il calore della sezione esposta. Il consiglio più importante è di evitare il 316 SS in questo servizio se esiste qualche alternativa. Ove richiesto, il tecnico dovrà fornire la durata di servizio prevista in mesi, le ore di funzionamento giornaliere e la lunghezza della zona di vapore esposta. Queste informazioni determineranno se il 316 è adatto o se sono necessarie guaine in titanio o rivestite. La specifica dovrebbe inoltre contenere un programma di ispezione obbligatorio a metà della vita utile stimata per monitorare la profondità dei pozzi e determinare se è necessaria una sostituzione anticipata.