Per gli ingegneri di processo responsabili dei riscaldatori elettrici a immersione nei serbatoi atmosferici contenenti cloruro-soluzioni contenenti cloruro-come acqua prodotta, effluenti del dissalatore e acqua di lavaggio industriale-la transizione dalla corrosione per vaiolatura passiva a quella attiva determina se una guaina in acciaio inossidabile 316 dura dieci anni o dieci settimane. A differenza dei sistemi a flusso continuo in cui la soluzione fresca entra costantemente in contatto con la guaina, i serbatoi di stoccaggio atmosferici presentano condizioni stagnanti o di movimento lento-con concentrazioni di cloruro variabili a causa dell'evaporazione e della stratificazione. Lo spessore della parete di 1,6 mm rappresenta una specifica comune che bilancia la resistenza meccanica con il pratico trasferimento di calore. Tuttavia, la temperatura critica di vaiolatura e la concentrazione critica di cloruro per 316 non sono valori fissi ma interagiscono con l'aumento della temperatura superficiale della guaina causato dalla densità di watt applicata. Questo articolo identifica la combinazione specifica di concentrazione di cloruro e temperatura superficiale della guaina alla quale una parete di 1,6 mm passa da passiva (velocità di corrosione inferiore a 0,05 mm/anno) a vaiolatura attiva (penetrazione in pochi mesi).
La temperatura critica di vaiolatura e l'interazione del cloruro
Per l'acciaio inossidabile 316, la temperatura critica per vaiolatura in una data concentrazione di cloruro è la temperatura al di sopra della quale si formano e si propagano vaiolature stabili. Al di sotto di questa temperatura, il film passivo rimane intatto e i tassi di corrosione sono trascurabili. La relazione è inversa: all’aumentare della concentrazione di cloruro, la temperatura critica di vaiolatura diminuisce. In 100 ppm di cloruro, la temperatura critica per vaiolatura è di circa 80 gradi. In 1.000 ppm di cloruro, scende a 55 gradi. In 5.000 ppm di cloruro, scende a 35 gradi. In 10.000 ppm di cloruro (1% NaCl), la temperatura critica per vaiolatura è di circa 25 gradi. Per un riscaldatore a immersione, la temperatura della superficie della guaina è generalmente di 15–40 gradi superiore alla temperatura del serbatoio a causa del flusso di calore. Un serbatoio mantenuto a 40 gradi con un riscaldatore funzionante a 8 W/cm² può avere una temperatura superficiale della guaina 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 la vaiolatura inizierà entro poche settimane. Lo spessore della parete di 1,6 mm determina il tempo necessario alla perforazione una volta iniziata la vaiolatura, che a tassi di propagazione tipici di 0,5–2,0 mm al mese significa fallimento in 1–3 mesi.
Soglie di transizione critica per guaina da 1,6 millimetri
Sulla base dei test di immersione di 316 campioni con finitura superficiale tipica delle guaine del riscaldatore pressate, le seguenti soglie di transizione si applicano a una parete di 1,6 mm che funziona con una densità di watt di 6–10 W/cm². Si presuppone che la temperatura del serbatoio principale sia 10–20 gradi inferiore alla temperatura superficiale della guaina.
| Concentrazione di cloruro (ppm) | Temperatura critica di vaiolatura per 316 (gradi) | Temperatura superficiale minima della guaina per la transizione da passivo-a-attivo | Temperatura sicura del serbatoio per guaina da 1,6 mm a 8 W/cm² | Vita utile prevista superiore alla transizione |
|---|---|---|---|---|
| Sotto 100 ppm | Superiore a 80 gradi | 80 gradi | Fino a 65 gradi | 5-10 anni |
| 100 – 500 pagine al minuto | 65 – 80 gradi | 65 – 80 gradi | Fino a 50 – 65 gradi | 2–5 anni |
| 500 – 1.000 ppm | 55 – 65 gradi | 55 – 65 gradi | Fino a 40 – 50 gradi | 1–2 anni |
| 1.000 – 2.000 ppm | 45 – 55 gradi | 45 – 55 gradi | Fino a 30 – 40 gradi | 6-12 mesi |
| 2.000 – 5.000 ppm | 35 – 45 gradi | 35 – 45 gradi | Fino a 20 – 30 gradi | 3–6 mesi |
| 5.000 – 10.000 ppm | 25 – 35 gradi | 25 – 35 gradi | Fino a 10 – 20 gradi | 1–3 mesi |
| Oltre 10.000 ppm | Sotto i 25 gradi | Sotto i 25 gradi | Non sicuro a qualsiasi temperatura | Settimane o mesi |
Per un serbatoio di stoccaggio che funziona a una temperatura complessiva di 50 gradi con una guaina da 1,6 mm a 8 W/cm², la temperatura superficiale della guaina è di circa 65–70 gradi. La concentrazione di cloruro deve essere mantenuta al di sotto di 500 ppm per rimanere al di sopra della temperatura critica di vaiolatura. A 1.000 ppm di cloruro, la temperatura superficiale supera la soglia critica di 55 gradi e entro poche settimane inizierà la vaiolatura attiva. Per serbatoi con concentrazioni di cloruro superiori a 2.000 ppm, il 316 non è adatto a qualsiasi temperatura di massa pratica perché la temperatura superficiale della guaina richiesta anche da un flusso di calore minimo supererà la temperatura critica di vaiolatura.
Matrice di busta operativa sicura per guaina da 1,6 millimetri
La seguente tabella fornisce la temperatura massima sicura del serbatoio per una guaina 316 da 1,6 mm a varie densità di watt e concentrazioni di cloruro. I valori garantiscono che la temperatura superficiale della guaina rimanga almeno 5 gradi al di sotto della temperatura critica di vaiolatura per quel livello di cloruro.
| Concentrazione di cloruro (ppm) | Temperatura massima della superficie sicura della guaina | Temperatura massima sicura di massa pari a 5 W/cm² | Temperatura massima sicura di massa pari a 8 W/cm² | Temperatura massima sicura di massa pari a 12 W/cm² |
|---|---|---|---|---|
| Sotto 100 ppm | 75 gradi | 65 gradi | 60 gradi | 50 gradi |
| 100 – 250 pagine al minuto | 70 gradi | 60 gradi | 55 gradi | 45 gradi |
| 250 – 500 pagine al minuto | 65 gradi | 55 gradi | 50 gradi | 40 gradi |
| 500 – 750 pagine al minuto | 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 |
| Oltre 2.000 ppm | Non sicuro | Non sicuro | Non sicuro | Non sicuro |
Per qualsiasi applicazione in cui la temperatura superficiale calcolata della guaina supera la temperatura critica per vaiolatura per la concentrazione di cloruro misurata, la rottura per vaiolatura è inevitabile. Lo spessore della parete di 1,6 mm fornisce un certo tempo di propagazione, ma si deve considerare che il riscaldatore ha una durata operativa limitata e prevedibile, misurata in mesi anziché in anni.
Modifiche progettuali per prevenire la transizione alla vaiolatura
Quando le condizioni del processo si avvicinano al confine della transizione da passivo-a-attivo, tre modifiche di progettazione possono prevenire la vaiolatura senza modificare il materiale della guaina o lo spessore della parete. Il primo è ridurre la densità di watt. Il funzionamento a 5 W/cm² anziché a 10 W/cm² abbassa la temperatura superficiale della guaina di 15–25 gradi, passando potenzialmente dal regime attivo a quello passivo. La seconda modifica consiste nell'aumentare la circolazione attraverso la superficie della guaina. Un piccolo 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 terza modifica consiste nell'installare una sonda per il monitoraggio della corrosione-un piccolo coupon 316 collegato elettricamente alla guaina del riscaldatore. Un aumento improvviso della corrente galvanica indica la comparsa di vaiolatura attiva, fornendo un avvertimento prima che la guaina venga penetrata. Per i serbatoi con concentrazione di cloruro variabile a causa dell'evaporazione o dei cambi di lotto, gli ingegneri dovrebbero specificare il 316L con un numero equivalente di resistenza alla vaiolatura più elevato e prendere in considerazione il passaggio all'acciaio inossidabile 317 (3,5% di molibdeno) o alla lega 825 per un servizio affidabile a lungo termine. Il costo di un singolo guasto per vaiolatura in un serbatoio di stoccaggio-compresi la contaminazione del prodotto, lo svuotamento del serbatoio e la sostituzione del riscaldatore-in genere supera il costo incrementale di una lega più resistente. Quando si specificano i riscaldatori per i serbatoi di stoccaggio contenenti cloruro-, misurare sempre la concentrazione effettiva di cloruro alla temperatura operativa prevista e calcolare la temperatura superficiale della guaina alla densità di watt proposta. Per un servizio affidabile a lungo termine con una guaina 316 da 1,6 mm, si consiglia un margine di sicurezza di almeno 10 gradi al di sotto della temperatura critica di vaiolatura.
