Bij welke specifieke combinatie van bijtende concentratie en oppervlaktetemperatuur van de mantel gaat een mantelovergang van 1,6 millimeter 316 roestvrij staal over van passieve naar actieve corrosie bij gebruik van natriumhydroxide voor CIP-systemen?

Procesingenieurs die elektrische verwarmingselementen bouwen voor schone-in- systemen voor voedselverwerking, farmaceutische productie en drankenproductie gebruiken natriumhydroxide als de belangrijkste chemische reinigingsvloeistof. Typische CIP-oplossingen bestaan ​​uit 1-3% NaOH bij 70-85 graden. In deze situatie vormt zich de passieve film en is de corrosieweerstand van 316 roestvrij staal over het algemeen goed. Bij hogere concentraties of hogere oppervlaktetemperaturen als gevolg van de wattdichtheid van de verwarmer kan de passieve film echter kapot gaan en kan actieve corrosie optreden met snelheden van meer dan 1 millimeter per jaar. Typische wanddiktes van CIP-verwarmers zijn 1,6 mm, wat een redelijk compromis oplevert tussen corrosietolerantie en thermische responsiviteit. Het artikel stelt de bijtende concentratie en de oppervlaktetemperatuur van de mantel vast waarbij een 316-mantel van 1,6 mm overgaat van passieve naar actieve corrosie bij gebruik van natriumhydroxide.

316 Overgang in natriumhydroxide van passief naar actief
Natriumhydroxide is uniek onder alkalische oplossingen omdat het corrosiegedrag van roestvrij staal 316 een duidelijke passieve-actieve overgang vertoont die afhankelijk is van zowel de concentratie als de temperatuur. In verdunde oplossingen van minder dan 5% NaOH en temperaturen onder 80oC blijft 316 passief met corrosiesnelheden van minder dan 0,05 mm per jaar. Naarmate de concentratie toeneemt of de temperatuur stijgt, wordt de passieve film onstabiel. Bij 10% NaOH is de overgangstemperatuur ongeveer 90 graden. Het daalt tot 75°C 20% NaOH. Bij 30% NaOH daalt de waarde naar 60 graden. Bij 50% NaOH, boven de 40 graden, verdwijnt het passieve bereik volledig. De oppervlaktetemperatuur van de mantel is doorgaans 15-30 graden hoger dan de temperatuur van de bulkoplossing voor een verwarmingselement vanwege de toegepaste wattdichtheid. Een CIP-systeem met 3% NaOH en een bulktemperatuur van 80 graden met een verwarmer van 8 W/cm² zorgt voor een oppervlaktetemperatuur van de mantel van 95-105 graden. De passieve coating op 316 kan bij deze oppervlaktetemperatuur afbreken en er treedt actieve corrosie op met snelheden van 0,5–2 mm per jaar. Actieve corrosie zal binnen 1 à 3 jaar een mantel van 1,6 mm doorboren, maar passief gebruik zal 10+ jaar dienst opleveren.

Kritieke overgangsdrempels voor 1,6 mm mantel
Elektrochemisch testen van 316 monsters in natriumhydroxideoplossingen bij CIP-gebruikstemperaturen heeft aangetoond dat de volgende combinaties van bulkbijtende concentratie en temperatuur van het manteloppervlak de passieve-naar-actieve overgang voor een wand van 1,6 mm veroorzaken. Waarden gelden voor standaard oppervlaktepolijstmiddel en een typische wattdichtheid van 6–8 W/cm².

Natriumhydroxideconcentratie (gewicht%) Passief naar actief overgangstemperatuur Minimale manteloppervlaktetemperatuur voor actieve corrosie Veilige bulktemperatuur voor 1,6 mm mantel bij 8 W/cm2 (stijging van 25 graden) Verwachte corrosiesnelheid in actief regime
1 – 2% >100 graden 100 graden 75 graden 0,3 – 0,7 mm/jr
2 – 3% 95 – 100 graden 95 – 100 graden Tot 70 – 75 graden 0,5 – 1,0 mm/jaar
3 – 5% 85 – 95 graden 85 – 95 graden Tot 60 – 70 graden 0,8 – 1,5 mm/jaar
5 – 7% 75 – 85 graden 75 – 85 graden Tot 50 – 60 graden 1,0 – 2,0 mm/jr
7 – 10% 65 – 75 graden 65 – 75 graden Tot 40 – 50 graden 1,5 – 3,0 mm/jaar
10 – 15% 55 – 65 graden 55 – 65 graden Tot 30 – 40 graden 2,0 – 4,0 mm/jaar
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/jr
Voor een CIP-systeem met een bulktemperatuur van 80 graden en 2% NaOH met gebruik van een mantel van 1,6 mm bij 8 W/cm2, bedraagt ​​de oppervlaktetemperatuur van de mantel ongeveer 105 graden, hoger dan de overgangsdrempel van 100 graden. Er zal actieve corrosie optreden en de mantel kan binnen 1-2 jaar perforeren. Door de wattdichtheid te verlagen tot 4 W/cm², wordt de stijging van de oppervlaktetemperatuur verlaagd tot 12–15 graden, terwijl de temperatuur van de mantel op 92–95 graden blijft, wat onder de drempel van 100 graden ligt. Deze verandering zorgt voor een levensduur van 5-10 jaar.

Veilig werkbereik van 1,6 millimeter in bijtende CIP-service
De volgende tabel geeft de maximaal toelaatbare bulknatriumhydroxideconcentratie voor een 316-mantel van 1,6 mm bij verschillende bulktemperaturen en wattdichtheden. Voor bepaalde concentratiewaarden wordt de oppervlaktetemperatuur van de mantel minimaal 5 graden onder de passieve-naar-actieve overgangstemperatuur gehouden.

Bulkoplossing Temperatuur Watt Dichtheid 4 W/cm2 (stijging van 12 graden) Watt Dichtheid 6 W/cm2 (stijging van 18 graden) Watt Dichtheid 8 W/cm2 (stijging van 25 graden) Watt Dichtheid 10 W/cm2 (stijging van 32 graden) 60 graden Veilig tot 10% NaOH Veilig tot 7% NaOH Veilig tot 5% NaOH Veilig tot 3% NaOH 65 graden Veilig tot 8% NaOH Percentage veilig tot 5 NaOH Veilig tot 3% NaOH Veilig tot 2% NaOH 70 graden Veilig tot 6% NaOH Veilig tot 4% NaOH Veilig tot 2% NaOH Niet veilig boven 1% 75oC Niet veilig boven 5% NaOH max 3%, veilig NaOH Veilig tot 1,5% NaOH Niet veilig boven 1% 80 graden Veilig tot 4% NaOH veilig tot 2% NaOH Niet veilig hierboven 1,5% Niet veilig 85 graden Veilig tot 3% NaOH Tot 1,5% NaOH veilig Niet veilig Niet veilig
90 graden Veilig tot 2% NaOHNiet veilig boven 1% Niet veilig Niet veilig
Voor een typische CIP-cyclus bij 80 graden met 2% NaOH is een 316-mantel van 1,6 mm alleen veilig bij wattdichtheden van 4 W/cm2 of minder. Bij een industriële wattdichtheid van 8 W/cm² bevindt de verwarming zich in het actieve corrosieregime en moet een beperkte levensduur van 1 tot 3 jaar worden voorspeld in plaats van de vaak veronderstelde 5 tot 10 jaar.

Passieve operationele ontwerpwijzigingen
Er kunnen drie ontwerpwijzigingen worden aangebracht om de passieve werking te behouden zonder het mantelmateriaal te veranderen onder CIP-procesomstandigheden die anders een 316-mantel van 1,6 mm tot actieve corrosie zouden dwingen (bijvoorbeeld bijtende concentraties of temperaturen): De eerste methode is het vergroten van de verwarmde lengte van het element om de wattdichtheid te verminderen. Een verdubbeling van de lengte (1 m naar 2 m) vermindert de temperatuurstijging van het manteloppervlak van 25 graden naar 12 graden en keert terug naar de passieve werking wanneer de wattdichtheid wordt verlaagd van 8 W/cm2 naar 4 W/cm.2 . De tweede aanpassing is om de circulatie over het verwarmingsoppervlak te verbeteren. Voor dezelfde wattdichtheid kan de stijging van de oppervlaktetemperatuur worden teruggebracht tot 8–10 graden bij een snelheid van 2–3 m/s met behulp van een CIP-circulatiepomp. De laatste verandering is de toevoeging van een corrosieremmer aan de bijtende oplossing. Silicaten of fosfaten bij 100 tot 200 ppm kunnen de passieve film op 316 stabiliseren en de overgangstemperatuur met 10 tot 20 graden verhogen. Maar deze veranderingen zullen waarschijnlijk niet genoeg zijn voor CIP-systemen die 5% NaOH bij 80oC vereisen. In deze gevallen moet de ingenieur het gebruik specificeren van een legering op nikkel-basis, zoals Alloy 600 of Alloy 825, die passief is in bijtende oplossingen tot een concentratie van 50% bij temperaturen boven de 100 graden. De kosten voor een upgrade van 316 naar Alloy 825 zijn doorgaans 2-3 keer hoger, maar de levensduur neemt toe van 1-2 jaar naar 10-15 jaar. Vertel de leverancier altijd wanneer u verwarmingstoestellen voor CIP-service specificeert: de maximale concentratie van bijtende stoffen, de bulktemperatuur en de verwachte cyclustijd. Wanneer een fabrikant 316 voorstelt voor 5% NaOH bij 85 graden Celsius zonder enige overweging van passief-actieve overgang of reductie voor wattdichtheid, is dat geen passend technisch advies. De overgang van passieve naar actieve corrosie in natriumhydroxide is abrupt en afhankelijk van de temperatuur. Een 316-mantel met een dikte van 1,6 mm die net onder de drempelwaarde werkt, kan tien jaar blijven bestaan; eentje die net daarbuiten opereert, kan binnen 18 maanden mislukken. Nauwkeurige thermische analyse van de oppervlaktetemperatuur van de mantel is noodzakelijk voor betrouwbare specificatie.