Zašto električne grijaće cijevi s plaštom od nehrđajućeg čelika 316 u petljama za dezinfekciju natrijevim hipokloritom na 30–50 stupnjeva razvijaju napad dubokih utora na granici tri-faze unutar 200 sati povremenog rada?

Natrijev hipoklorit (NaOCl) obično se primjenjuje za dezinfekciju u sustavima za pročišćavanje komunalne vode, sanitarnu obradu hrane i farmaceutske CIP (clean{0}}in-place). Električne grijaće cijevi obično se koriste u recirkulacijskim petljama hipoklorita kako bi se temperatura otopine održala u rasponu od 30-50 stupnjeva za optimalnu učinkovitost dezinfekcije. Kvarovi na terenu u nekoliko postrojenja za pročišćavanje vode, međutim, pokazali su da su omotači od nehrđajućeg čelika 316 osjetljivi na visoko lokalizirani, jak napad utora na trofaznoj granici zrak-tekućina-para-u 200 do 500 sati povremene upotrebe. Ovaj napad nije vidljiv u dugotrajnim vlažnim ili potpuno suhim uvjetima. Tro-fazna granica, gdje omotač napušta otopinu hipoklorita i ulazi u gornji prostor za paru, izložena je jedinstvenoj kombinaciji uvjeta uključujući cikluse vlaženja i sušenja, obogaćivanje kisikom kroz kontakt sa zrakom, isparavanje hipoklorita i kloridnih vrsta koje uzrokuju koncentraciju i razgradnju hipoklorita u plinoviti klor (Cl2). Ishod je samoodrživa -ćelija za koroziju koja urezuje obodni utor u omotač na razini tekućine, obično potpuno prožimajući stijenku u roku od nekoliko tjedana. Ova studija kvantificira stopu korozije utora na tro-faznoj granici u NaOCl servisu i predstavlja dizajn i radne preporuke za izbjegavanje ovog načina kvara.

Elektrokemija tro-fazne granice u otopinama hipoklorita
Otopine natrijevog hipoklorita su same po sebi nestabilne i razlažu se prema 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 i također 2NaOCl → 2NaCl + O2. Raspad se ubrzava oko 30-50oC. Tanki film otopine hipoklorita koji vlaži omotač iznad razine tekućine na tro-faznoj granici (zrak-tekućina-omot) brzo isparava, koncentrirajući hipoklorit od uobičajenih 0,5–2,0% dostupnog klora do čak 10–15% u filmu koji isparava. Koncentrirani hipoklorit se brže razgrađuje dajući plin klor (Cl₂) koji je vrlo korozivan za nehrđajući čelik 316 i lokalno intenzivno oksidirajuće okruženje s niskim pH. U isto vrijeme, ciklusi vlaženja i sušenja onemogućuju stvaranje stabilnog pasivnog filma. Tijekom suhog dijela ciklusa sav pasivni film koji je nastao bio je osušen i slomljen. Tijekom faze ponovnog vlaženja svježi hipoklorit napada izloženi metal prije nego što se može formirati novi premaz.

Stvaranje diferencijalne ćelije za prozračivanje ubrzava mehanizam utora. Područje ispod linije tekućine je-osiromašeno kisikom (budući da se razgradnjom hipoklorita troši kisik), dok je tanki sloj iznad tri-fazne granice bogat-oksikom zbog kontakta sa zrakom. Područje bogato kisikom postaje katodno, a metal neposredno ispod postaje anodan. Anodna struja lokalizirana je na liniji tekućine i s vremenom razvija utor koji se produbljuje i širi.

Kvantificiranje stopa korozije utora na tro-granici faza
316 uzoraka plašta od nehrđajućeg čelika (1,5 mm stijenka, 12 mm OD, otopina-žarena) djelomično je uronjeno u 1,0% dostupne otopine klora NaOCl (početni pH 10,5) na 40 stupnjeva u kontroliranom testiranju, s razinom tekućine na sredini-dužine. Test se izmjenjivao između grijanja (plašt je napajan na površinsku temperaturu od 50 stupnjeva) i praznog hoda (bez grijanja, kupka od 40 stupnjeva) u 6-satnom ciklusu uključivanja/6-satnog isključivanja. U intervalima je uzorcima provjeravana dubina utora na izvornoj razini tekućine. Dubina žlijeba procijenjena je korištenjem rezanja i optičke mikroskopije.

Vrijeme izlaganja (sati) Broj mokrih-suhih ciklusa (6 sati svaki) Maks. dubina utora (μm) Širina utora (mm) Smanjenje debljine stijenke na utoru (od 1,5 mm)
0 0 0 0 0% 100 8 (približno) 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% (blizu perforacije)
600 50 880 (perforirano) 3.0 59%
Brzina udubljenja bila je oko 1,5-2,0 um/h izloženosti, otprilike dosljedna nakon početne inkubacije od 50-100 sati. Za stijenku od 1,5 mm, predviđeno vrijeme do perforacije bilo je 600-800 sati (25-33 dana) pod kontinuiranim ciklusima. U terenskoj službi s produženim ciklusima isključenja i različitim uvjetima, kvar je često bio unutar 200-500 sati (8-21 dan).

Usporedba s kontinuiranim uranjanjem i drugim čimbenicima
Provedeni su kontrolni testovi kako bi se izolirao tro-učinak granice faza u različitim situacijama. Statistički podaci u nastavku pokazuju da nema oštećenja trofaznog graničnog stanja u usporedbi s kontinuiranim uranjanjem (bez ciklusa mokro-suho) i potpuno suhom izloženošću.

Uvjeti ispitivanja Koncentracija NaOCl (% dostupnog Cl 2) Temperatura (stupnjevi) Vrijeme izlaganja (sati) Maksimalna dubina korozije (μm) Stanje površine
Potpuno uronjen (bez zračnog sučelja) 1.0 40 500 25 Blaga rupičasta, jednolika
Potpuno uronjen 1.0 50 (ogrijani plašt) 500 45 Udubine, bez utora
Djelomično uronjen, konstantna razina tekućine (bez ciklusa) 1.0 40 500 180 (na liniji tekućine) Žljebovi, manje ozbiljni
Djelomično uronjeno, mokro-suho kruženje (grijanje uključeno/isključeno) 1.0 40/50 500 620 Duboki utori
Djelomično uronjen, pH reguliran na 9,5 (kao natrijev karbonat) 1.0 40/50 500 85 Lagani utori
Djelomično uronjeno, pročišćavanje dušikom preko parnog prostora 1.0 40/50 500 110 Smanjeno stvaranje žljebova
Djelomično uronjena, deionizirana voda (bez NaOCl) 0 40/50 500 0 Bez korozije
Kritični čimbenici su prisutnost hipoklorita, prisutnost sučelja tekućine-pare, mokro-suho kruženje i pristup kisika parnom prostoru. Uklanjanje bilo kojeg od ovih čimbenika smanjuje utore za omjer 3-7.

Učinak kemikalija na brzinu žljebljenja
Brzina utora je vrlo osjetljiva na dostupnu koncentraciju klora u otopini hipoklorita. Više koncentracije dovode do bržeg razgradnje hipoklorita, povećane proizvodnje plinovitog klora i agresivnije koncentracije isparavanja. Ispitivanja na konstantnoj temperaturi od 40 stupnjeva sa 6-satnim ciklusima mokro-suho i 500 sati ukupne izloženosti rezultirala su sljedećim odnosom:

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 (nije postignuto) Ništa 0.5 10.3 180 2500 Blago 1.0 10.5 620 600-800 Jako 2.0 11.0 1050 (perforirano < 500 sati) 300-400 Vrlo jako
1,0 s hvatačem klora (tiosulfat, 10 ppm) 10.5 85 2800 Ne
Predviđeno vrijeme perforacije za utore u tipičnim petljama za dezinfekciju vode za piće s 0,5–1,5 % NaOCl je 2–8 tjedana za 316 omotača. Prisutnost tiosulfata učinkovito troši slobodni klor i izbjegava brazde, ali može smanjiti učinkovitost dezinfekcije.

Primjeri kvarova na terenu na postrojenjima za pročišćavanje vode
Pregled 23 komunalna postrojenja za pročišćavanje vode koja koriste 316 grijača od nehrđajućeg čelika u NaOCl recirkulacijskim petljama (0,5–1,2% dostupnog Cl₂, 35–45 stupnjeva, povremeni rad crpke s mokrim-suhim ciklusima svakih 4–12 sati) pokazao je sljedeće obrasce kvarova:

Obrazac rada postrojenja Približni mokri-suhi ciklusi po danu Definirano vrijeme probijanja utora
Postrojenje A (1,2 % NaOCl) Kontinuirana recirkulacija, konstantna razina 0 (bez ciklusa) 8-12 mjeseci (bez utora, samo piting)
Biljka B (1,0% NaOCl) Povremeno, 6 sati uključeno / 6 sati isključeno, razina varira 2 18 d
Biljka C (0,8% NaOCl) s prekidima, 8 sati uključeno / 16 sati isključeno, razina varira 1.5 25 dana
Biljka D (0,5% NaOCl) s prekidima, pumpa svaka 4 sata, razina se snižava između ciklusa 6 12 dana
Postrojenje E (0,5% NaOCl, razina tekućine kontrolirana plovnim ventilom) Povremeno grijanje, ali bez ciklusa razine 0 (bez promjene razine) 6 mjeseci (bez utora)
Biljke A i E sugeriraju da je održavanje stabilne razine tekućine (bez mokro-suhog cikliranja površine omotača) važnije od visoke koncentracije hipoklorita u sprječavanju utora. Koncentracija nije utjecala na stopu kvara postrojenja koja imaju fluktuacije razine ili šaržni rad u kojem je grijač bio izložen tijekom ciklusa pražnjenja.

Dizajn i operativne strategije za sprječavanje tro-faznog žljebljenja
Tri inženjerska rješenja koriste se za ublažavanje ili drastično smanjenje tro{0}}faznih žljebova u NaOCl servisu. Najsigurniji način je da grijač cijelo vrijeme bude potpuno pod vodom. Dizajnirajte spremnik ili petlju s minimalnom razinom tekućine iznad vrha grijaćeg elementa. Osigurajte prekidač za isključivanje niske razine koji-isključuje grijač kada razina tekućine padne ispod vrha omotača.

Drugi je održavanje tekućine na ravnomjernoj razini neovisno o radu pumpi ili grijača, čime se izbjegava mokro-suho kruženje kada nema dovoljno tekućine da bude potpuno potopljena. Preljevna prebrana konstantne razine ili ventil za kontrolu razine sprječavaju da površina tekućine putuje preko površine plašta.

Treći pristup je za sustave kada se varijacija razine ne može spriječiti. Horizontalna ugradnja grijača, ne okomita. Kada je cijev vodoravna, tro-fazna granica je samo jedna linija na vrhu cijevi umjesto cijelog kruga. Također utor formiran na vrhu ne doseže granicu pritiska tako brzo. Nadalje, može se napraviti vodoravna cijev s grijaćim elementom smještenim ekscentrično prema dnu, tako da se vrh plašta ne zagrijava izravno, čime se snižava lokalna temperatura na granici tri-faze.

Zamjene za uslugu hipoklorita
Ako je potreban nehrđajući čelik 316, ali se ne može izbjeći trofazno izlaganje, tada nadogradnja materijala plašta ima neke prednosti. Ne postoji uobičajeni nehrđajući čelik koji je uistinu otporan na stanje trofaznog hipoklorita.

Materijal plašta Dubina utora na 500 sati, 1% NaOCl, 40 stupnjeva, mokro-suhi ciklus (um) Relativni trošak (u odnosu na 316) Preporučeno
Nehrđajući čelik 316 620 1.0 Ne (brzi kvar)
904L (UNS N08904) 280 2.5 Granica
Legura 825 (UNS N08825) 120 4.0 Prihvatljivo uz kontrolu razina
Titan Grade 2<10 2.2 Yes (very good)
Titan Grade 7<5 2.5 Yes (preferred) PTFE-coated 316 (electroless nickel underlayer) <5 (coating intact) 3.0 Yes, but danger of coating deterioration
Titan Grade 2 ili Grade 7 otporan je na napade hipokloritom na temperaturama do 70 stupnjeva i pasivan je čak i pod trofaznim okolnostima. Podaci s terena iz tvornice za preradu hrane gdje je 316 omotača zamijenjeno titanom stupnja 2 u 0,8% NaOCl CIP petlji nisu pokazali utore ili udubljenja nakon 24 mjeseca povremenog rada gdje je 316 omotača prethodno otkazivalo svaka 3-4 tjedna.

Jezik specifikacije grijača hipokloritne petlje
Pri kupnji električnih grijaćih cijevi za rad s natrijevim hipokloritom gdje postoji bilo kakva mogućnost mokro-suhog ciklusa ili fluktuacije razine, inženjeri bi trebali zahtijevati materijal plašta od titana razreda 2 ili 7 kao minimum. Ako se u postojećem sustavu koristi nehrđajući čelik 316, moraju se uključiti sljedeći radni zahtjevi: (a) Razina tekućine mora se cijelo vrijeme održavati iznad najvišeg grijaćeg elementa pomoću sustava za kontrolu razine; (b) Osigurat će se -prekidač niske razine, povezan s kontaktorom grijača za-isključivanje grijača ako razina padne ispod sigurnog minimuma; (c) Sustav mora biti projektiran za kontinuirani rad s konstantnom razinom, a ne za skupne operacije pražnjenja-i-punjenja; (d) Plašt se pregledava na razini tekućine jednom mjesečno radi utora ultrazvučnim mjerenjem debljine ili vizualnim pregledom kroz kontrolno staklo. Za nove instalacije sa sadržajem hipoklorita iznad 0,2% dostupnog Cl 2 i temperaturom preko 35 stupnjeva, odredite materijal omotača od titana Grade 7 i vodoravnu orijentaciju grijača. Trofazna granica u radu s hipokloritom predstavlja jedinstveno agresivno mikro-okruženje koje se bitno razlikuje od potpunog uranjanja ili izlaganja fazi pare. Inženjeri koji to razumiju mogu odabrati odgovarajuće materijale i dizajn sustava kako bi izbjegli brzi kvar utora koji je tipičan za ovu primjenu.