Pro inženýry chemických procesů provozující elektrické ponorné ohřívače při výrobě fosfátových hnojiv, lázních na úpravu kovů a zařízení na zpracování potravin manipulující s kyselinou fosforečnou vyžaduje výběr nerezové oceli 316 jako materiálu pláště pečlivou pozornost jak na odolnost proti korozi, tak na tepelné vlastnosti. Kyselina fosforečná je méně agresivní než kyselina chlorovodíková nebo sírová, ale při zvýšených teplotách nad 80 stupňů a koncentracích nad 10% může způsobit zrychlený útok na nerezovou ocel 316, zejména v oblastech svarů a oblastech s vysokým zbytkovým napětím. Tloušťka stěny pláště určuje přídavek na korozi, který je k dispozici po dobu životnosti ohřívače, ale vztah je nelineární, protože rychlost koroze se často zvyšuje, když se stěna ztenčuje a místní hustota proudu stoupá. Tento článek poskytuje kvantitativní předpověď životnosti pro plášť 1,2 mm 316 v 15% kyselině fosforečné při 110 stupních na základě publikovaných dat o korozi a praktických zkušeností z chemických závodů.
Korozní chování nerezové oceli 316 v horké kyselině fosforečné
V kyselině fosforečné v koncentracích mezi 10 % a 30 % při teplotách nad 80 stupňů vykazuje nerezová ocel 316 obecnou rychlost koroze v rozmezí od 0,1 do 0,5 mm za rok v závislosti na čistotě kyseliny, teplotě a rychlosti proudění. Mechanismus koroze je primárně rovnoměrné ztenčení spíše než důlková koroze, protože kyselina fosforečná není silně oxidační a neobsahuje chloridy, které podporují lokalizované napadení. Nečistoty v komerční-kyselině fosforečné-zejména fluoridy, sírany a chloridy z fosfátových hornin-mohou urychlit útok a podpořit důlkovou tvorbu. Pro 15% kyselinu fosforečnou při 110 stupních s typickou průmyslovou čistotou je obecná rychlost koroze 316 přibližně 0,25 mm za rok. Tato rychlost předpokládá, že povrchová teplota pláště je v rozmezí 5 stupňů od teploty celkové kyseliny. Ve skutečnosti plášť ohřívače pracuje při vyšší teplotě v důsledku tepelného toku. Pro 1,2 mm stěnový plášť 316 pracující při 6 W/cm² ve 110stupňové kyselině je teplota vnějšího povrchu přibližně 125°. Při této teplotě se rychlost koroze zvyšuje na přibližně 0,35 mm za rok. Nárůst teploty z tepelného toku přidává přibližně 40 % k rychlosti koroze ve srovnání se samotnou teplotou kyseliny.
Výpočet životnosti pro tloušťku stěny 1,2 mm
1,2 mm 316 plášť začíná nominální tloušťkou 1,2 mm, ale výrobní tolerance ±0,1 mm znamenají, že minimální tloušťka může být 1,1 mm. Pro výpočet životnosti používá konzervativní přístup minimální tloušťku. Rychlost koroze 0,35 mm za rok spotřebuje 0,35 mm ročně. Avšak ne celá tloušťka stěny může být zkorodována před porušením. Je vyžadována minimální konstrukční tloušťka 0,5 mm, aby odolala vnitřnímu tlaku z expanze MgO a jakémukoli vnějšímu procesnímu tlaku. Použitelný přídavek na korozi je tedy 1,1 mm mínus 0,5 mm se rovná 0,6 mm. Při 0,35 mm za rok je vypočtená životnost 0,6 děleno 0,35, což se rovná 1,7 roku. To je doba, než plášť dosáhne minimální konstrukční tloušťky. V praxi se ohřívače často vyměňují, když zbývající tloušťka stěny dosáhne 0,7–0,8 mm, aby byla zajištěna bezpečnostní rezerva. Při této hranici výměny se životnost snižuje na přibližně 1,2 roku. Pro pětiletou životnost by měla být počáteční tloušťka stěny 0,35 vynásobená 5 plus 0,5 strukturální okraj plus 0,1 tolerance se rovná 2,35 mm-přibližně 2,5 mm. Proto je 1,2 mm stěnový plášť 316 v této službě vhodný pouze pro aplikace, kde je přijatelná každoroční výměna.
Doporučená tloušťka stěny pro použití s kyselinou fosforečnou
Následující tabulka uvádí doporučené tloušťky stěny pláště 316 pro elektrické ponorné ohřívače v provozu s kyselinou fosforečnou na základě koncentrace, teploty a cílové životnosti. Hodnoty předpokládají komerční-kyselinu s typickými nečistotami a wattovou hustotou 4–6 W/cm².
| Koncentrace kyseliny fosforečné | Objemová teplota kyseliny | Cílová životnost | Doporučená minimální tloušťka stěny 316 | Očekávaná míra koroze na povrchu | Životnost při doporučené tloušťce |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 – 15% | 80-100 stupňů | 2 roky | 1,2 mm | 0,20 – 0,30 mm/rok | 1,5 – 2,5 roku |
| 10 – 15% | 80-100 stupňů | 5 let | 2,0 mm | 0,20 – 0,30 mm/rok | 4 – 6 let |
| 10 – 15% | 100-120 stupňů | 2 roky | 1,6 mm | 0,30 – 0,45 mm/rok | 2 – 3 roky |
| 10 – 15% | 100-120 stupňů | 5 let | 2,5 mm | 0,30 – 0,45 mm/rok | 5 – 7 let |
| 15 – 25% | 80-100 stupňů | 2 roky | 1,6 mm | 0,25 – 0,40 mm/rok | 2 – 3 roky |
| 15 – 25% | 80-100 stupňů | 5 let | 2,5 mm | 0,25 – 0,40 mm/rok | 5 – 6 let |
| 15 – 25% | 100-120 stupňů | 1 rok | 1,6 mm | 0,40 – 0,60 mm/rok | 1 – 2 roky |
| 15 – 25% | 100-120 stupňů | 3 roky | 2,5 mm | 0,40 – 0,60 mm/rok | 3 – 4 roky |
| nad 25 % | Jakákoli teplota | Žádný | Nedoporučuje se | Nad 0,60 mm/rok | Nepředvídatelné; použít vyšší slitinu |
Pro koncentrace kyseliny fosforečné nad 25 % při teplotách nad 100 stupňů je nerezová ocel 316 obecně nevhodná bez ohledu na tloušťku stěny. Za těchto podmínek by inženýři měli přejít na slitinu s vysokým -molybdenem, jako je Alloy 20 (Carpenter 20) nebo Alloy 625, které mají rychlost koroze o dva řády nižší než 316 v horké kyselině fosforečné.
Konstrukční úpravy pro prodloužení životnosti bez zvýšení tloušťky stěny
Když je nutné použít 1,2 mm 316 plášť v horkém provozu s kyselinou fosforečnou z důvodu prostorových nebo teplotních omezení, tři konstrukční úpravy mohou prodloužit životnost nad vypočítaných 1,7 roku. První je snížit hustotu wattů. Provoz při 3 W/cm² místo 6 W/cm² snižuje povrchovou teplotu pláště ze 125 stupňů na přibližně 116 stupňů, čímž se snižuje rychlost koroze z 0,35 na přibližně 0,22 mm za rok. Tím se prodlužuje životnost z 1,7 roku na 2,7 roku. Druhou modifikací je pasivace povrchu pláště 20% kyselinou dusičnou při 50 stupních po dobu 60 minut před instalací. Pasivace odstraňuje usazené železné částice a zahušťuje vrstvu oxidu chrómu, čímž snižuje počáteční rychlost koroze o 20–30 % během prvních několika měsíců provozu. Třetí modifikací je kontrola čistoty kyseliny. Pokud lze fluoridy udržet pod 50 ppm a chloridy pod 100 ppm, může rychlost koroze klesnout na 0,15–0,20 mm za rok, čímž se prodlouží životnost na 3–4 roky. Pro kritické aplikace, kde by neplánovaná porucha ohřívače způsobila značné ztráty ve výrobě, by měli inženýři nainstalovat náhradní ohřívač nebo navrhnout nádrž s duálními ohřívači tak, aby bylo možné jeden vyměnit, zatímco druhý udržoval teplotu. Náklady na náhradní ohřívač jsou skromné ve srovnání s náklady na neplánovanou odstávku v nepřetržité chemické výrobě. Při specifikaci ohřívačů pro použití s kyselinou fosforečnou vždy požadujte testování koroze pomocí skutečné kyseliny z procesního proudu. Zveřejněná data poskytují odhady, ale čistota kyselin ve skutečném světě{33} se mezi závody a dokonce i mezi výrobními šaržemi výrazně liší. Tříměsíční-test kupónu s použitím 1,2 mm vzorku 316 ponořeného do procesní kyseliny při očekávané teplotě pláště je nejspolehlivějším ukazatelem životnosti. Náklady na tento test jsou obvykle nižší než náklady na jeden neúspěšný ohřívač.
