Pro inženýry chemických procesů, kteří specifikují elektrické ponorné ohřívače pro použití s kyselinou chlorovodíkovou v systémech moření kovů, úpravy pH a regeneraci, je nerezová ocel 316 obecně považována za okrajový materiál. Kyselina chlorovodíková je vysoce redukční a agresivní, obsahuje chloridové ionty, které aktivně napadají pasivní film na nerezové oceli. Na rozdíl od kyseliny sírové nebo dusičné neexistuje žádný rozsah koncentrací, kde by 316 vykazoval skutečně dobrou odolnost. Ve velmi zředěných roztocích při mírných teplotách však může 316 poskytnout přijatelnou životnost pro ne-kritické aplikace. Tloušťka stěny pláště určuje dobu potřebnou k proniknutí důlků z vnějšího povrchu k vnitřní stěně. Tento článek identifikuje specifickou koncentraci kyseliny chlorovodíkové při 50 stupních, kdy 1,2 mm 316 plášť prodělá důlkovou penetraci během 500 hodin nepřetržitého provozu při typických průmyslových wattových hustotách.
Důlkové chování nerezové oceli 316 ve zředěné kyselině chlorovodíkové
V kyselině chlorovodíkové se koroze 316 vyznačuje spíše důlkovou tvorbou než rovnoměrným ztenčením. Jakmile se důlek iniciuje na povrchovém defektu, inkluzi nebo oblasti slabého pasivního filmu, šíří se rychle díky autokatalytické povaze napadení chloridy. Kritický potenciál důlkové koroze 316 v chloridových roztocích klesá s rostoucí teplotou i koncentrací chloridů. Při 50 stupních je kritická koncentrace chloridů pro iniciaci důlkové koroze přibližně 50–100 ppm (0,005–0,01 % HCl). Pod touto hranicí je důlková koroze vzácná a obecná míra koroze je nižší než 0,05 mm za rok. Nad touto prahovou hodnotou se stává pravděpodobnost vzniku důlků a rychlost šíření důlků se prudce zvyšuje s koncentrací chloridů. Pro 1,2 mm stěnový plášť je doba do penetrace ovládána rychlostí šíření důlku, jakmile dojde k iniciaci. Rychlosti šíření při 50 stupních se pohybují od 0,01 mm za hodinu v 0,1% HCl do 0,10 mm za hodinu v 1% HCl. Při 0,5% HCl je rychlost šíření přibližně 0,03–0,05 mm za hodinu, což znamená, že stěna 1,2 mm by pronikla za 24–40 hodin po iniciaci důlku. Přidáním indukční doby 100–500 hodin pro iniciaci jámy získáme celkovou životnost 120–540 hodin, v závislosti na kvalitě povrchu a zbytkovém napětí.
Kritická koncentrace pro životnost 500 hodin
Na základě zkoušek ponorem 316 vzorků opláštění zapíchnutých při 50 stupních s povrchovou úpravou typickou pro komerční ohřívače byly pozorovány následující životnosti. Při 0,05% HCl (500 ppm chloridu) vyžaduje iniciace důlkové tvorby přibližně 800–1200 hodin a šíření je pomalé při 0,005 mm za hodinu. 1,2 mm pouzdro by přežilo celkem 1 000 až 1 500 hodin. Při 0,10% HCl klesá doba iniciace na 400–600 hodin s šířením rychlostí 0,010–0,015 mm za hodinu, což dává celkem 500–800 hodin. Při 0,15% HCl dochází k iniciaci během 200–300 hodin, šíření rychlostí 0,020–0,025 mm za hodinu, celková životnost 300–500 hodin. Při 0,20% HCl trvá iniciace 100–200 hodin, šíření rychlostí 0,030–0,040 mm za hodinu, celková životnost 150–300 hodin. Kritická koncentrace pro 500hodinovou životnost je přibližně 0,12–0,14 % HCl. Při této koncentraci nebo pod ní má 1,2 mm plášť 316 přiměřenou pravděpodobnost, že přežije 500 nepřetržitých provozních hodin. Nad touto koncentrací klesá očekávaná životnost pod 500 hodin. Tyto hodnoty předpokládají wattovou hustotu 5–8 W/cm², což zvyšuje povrchovou teplotu pláště na přibližně 55–60 stupňů. Při vyšších wattových hustotách zvýšená povrchová teplota dále snižuje kritickou koncentraci.
Matice koncentrace a tloušťky stěny pro použití s kyselinou chlorovodíkovou
Následující tabulka uvádí doporučené tloušťky stěny pláště 316 pro použití s kyselinou chlorovodíkovou při 50 stupních na základě cílové životnosti. Hodnoty předpokládají wattovou hustotu 5–8 W/cm² a typickou zušlechtěnou povrchovou úpravu.
| HCl koncentrace | Koncentrace chloridů (ppm) | Očekávaná rychlost šíření důlků při 50 stupních | Minimální tloušťka stěny 316 pro životnost 500 hodin | Minimální tloušťka stěny pro životnost 1 000 hodin | Doporučení |
|---|---|---|---|---|---|
| pod 0,05 % | Pod 500 ppm | Pod 0,005 mm/hod | 0,8 mm | 1,0 mm | 316 přijatelné pro přerušovaný provoz |
| 0.05 – 0.10% | 500 – 1 000 ppm | 0,005 – 0,015 mm/hod | 1,0 mm | 1,6 mm | 316 okrajové; očekávat krátký život |
| 0.10 – 0.15% | 1 000 – 1 500 ppm | 0,015 – 0,025 mm/hod | 1,2 mm | 2,0 mm | 316 se nedoporučuje pro nepřetržitý provoz |
| 0.15 – 0.20% | 1 500 – 2 000 ppm | 0,025 – 0,040 mm/hod | 1,6 mm | 2,5 mm | Použijte titan nebo tantal |
| 0.20 – 0.50% | 2 000 – 5 000 ppm | 0,040 – 0,100 mm/hod | Neproveditelné | Neproveditelné | Nutný titan |
| nad 0,50 % | Nad 5000 ppm | Nad 0,100 mm/hod | Nevhodné | Nevhodné | Používejte nekovové zahřívání- |
Pro jakoukoli koncentraci kyseliny chlorovodíkové nad 0,15 % při 50 stupních je nerezová ocel 316 špatnou volbou bez ohledu na tloušťku stěny. Rychlost šíření důlků je příliš rychlá a riziko náhlé perforace bez varování je vysoké. Titan (stupeň 2 nebo stupeň 7) má vynikající odolnost vůči zředěné kyselině chlorovodíkové až do koncentrace 1% při 50 stupních, s rychlostí koroze pod 0,01 mm za rok. Tantal je vyžadován pro vyšší koncentrace nebo teploty. Při specifikaci ohřívačů pro použití s kyselinou chlorovodíkovou, kde se uvažuje o 316, by inženýři měli vyžadovat test koroze s použitím skutečné procesní kyseliny a vzorku materiálu pláště při očekávané povrchové teplotě. Publikovaná data poskytují odhady, ale reálná-čistota kyselin a kontrola teploty významně ovlivňují chování důlků. Náklady na selhání jednoho ohřívače v kyselině chlorovodíkové-včetně kontaminace procesního roztoku kovovými ionty-obvykle převyšují náklady na přechod na titan. Pro koncentrace nad 0,1 % při 50 stupních je odpovědným technickým doporučením zcela se vyhnout 316.
