Onder welke specifieke combinatie van toegepast anodische beschermingspotentieel en manteltemperatuur blijft de 316 roestvrijstalen verwarmingsbuis in 50% natronloog (NaOH) bij 120 graden passief zonder bijtende spanning, corrosiescheuren

Elektrochemische controle bij het voorkomen van bijtende verbrossing

Bijtende spanningscorrosie (CSCC, of ​​bijtende verbrossing) is een belangrijke storingsoorzaak voor 316 roestvrijstalen omhulde elektrische verwarmingsbuizen in natronloog (NaOH) bij hoge temperaturen (bijv. verdampers, concentrators of bijtende overdrachtslijnverwarmers). Bijtende SCC vindt plaats in hete NaOH-oplossingen bij temperaturen boven de 70-80 graden, waarbij de gevoeligheid dramatisch toeneemt met zowel de temperatuur als de bijtende concentratie. Dit in tegenstelling tot chloride-SCC, waarvoor bijzondere combinaties van temperatuur en chlorideconcentratie vereist zijn. Bij 50% NaOH (een typische industriële concentratie) bij 120 graden is 316 zeer gevoelig voor CSCC onder vrije corrosieomstandigheden, waarbij binnen enkele dagen tot weken barsten ontstaan. De CSCC kan volledig worden vermeden door het gebruik van toegepaste anodische bescherming (dwz potentiostatische controle van het metaal in het passieve gebied). De belangrijke parameter is de aangelegde potentiaal ten opzichte van een referentie-elektrode (vaak Ag/AgCl). Het passieve bereik voor 316 in 50% NaOH bij 120 graden is ongeveer -200 mV tot +200 mV versus Ag/AgCl. Barsten treden op bij spanningen lager dan -200 mV (actief gebied) of hoger dan +200 mV (transpassief gebied). Dit artikel kwantificeert de potentiële vensters voor anodische bescherming voor het voorkomen van CSCC bij verschillende temperaturen en bijtende concentraties.

Mechanisme van bijtende spanningscorrosiescheuren en de preventie ervan

Bijtende SCC van 316 roestvrij staal is het selectief oplossen van de passieve coating op korrelgrenzen (intergranulair kraken in lagere legeringen; transgranulair in 316 bij hogere temperaturen) onder trekspanning in geconcentreerde NaOH-oplossingen. De passieve film op 316 in bijtende stoffen is een ijzer- en chroomhydroxide-/oxidefilm die slechts binnen een beperkt potentieel bereik stabiel is. Beneden het passieve potentiaalbereik (hogere negatieve potentiaal) corrodeert het metaal agressief (algemene corrosie). Boven het passieve bereik (hogere positieve potentiëlen) vindt transpassieve oplossing plaats, waarbij chroom wordt geoxideerd tot oplosbaar chromaat (CrO4 2-) en SCC wordt geïnitieerd. Een gereguleerde anodische spanning in het passieve bereik stabiliseert de passieve film en verwijdert de drijvende kracht voor plaatselijke doorslag.

Gekwantificeerde anodische beschermingsvensters voor 50% NaOH @ 120C

Het passieve bereik en de scheurgrenzen als functie van de aangelegde spanning versus Ag/AgCl (3M KCl) zijn bepaald in 50% NaOH bij 120 graden door gecontroleerde potentiostatische tests van 316 roestvrij staal (U--buigmonsters onder constante trekspanning).

Applied Potential (mV vs. Ag/AgCl, 3M KCl) Electrochemical Region Corrosion Rate (mm/year)CSCC Initiation Time (hrs) Surface Condition 120°C 50% NaOH Service Recommended After 1000 hours Active corrosion < -400 Immediate (active) 5-10 Severe general corrosion No -400 to -250 Active/transition 1-5 10-50 Pitting + general loss No -250 to -2000Mixed (active edge) 0.5-1.0 50-200 Localised attack Not advised -200 to -150 Passive (low) 0.02-0.05 >5.000 Helder, geen aanval Acceptabel (grens)
-150 to +100 Passive (optimum) 0.01-0.02 >10.000 Helder, passief Beste +100 tot +200 Passief (hoog) 0.02-0.05 2.000-5.000 Tint (oxideverdikking) Acceptabel +200 tot +250 Transpassieve rand 0.1-0.3 500-1.500 Lichte putjes Marginaal +250 tot +350 Transpassief 0.5-1.0 100-500 CSCC-scheurenNiet aanbevolen > +350 Zuurstofontwikkeling 1-5<100 Severe CSCC + pitting No
Invloed van bijtende concentratie en temperatuur op het beschermingspotentieelbereik

Het passieve potentiaalvenster varieert met de bijtende concentratie en temperatuur. Hieronder volgt een tabel met aanbevolen beschermingspotentieel onder verschillende omstandigheden.

NaOH-conc. (gew%) Temperatuur (graden) Passief bereik (mV versus Ag/AgCl, 3M KCl) Optimaal beschermingspotentieel (mV) Minimale aanbevolen stroomdichtheid voor bescherming (mA/cm2)
30 100 -300 naar +50 -150 0.1 30 120 -250 naar +100 -100 0.2 40 100 -250 naar +100 -100 0.2 40 120 -200 naar +150 -50 0.3 50 100 -200 naar +150 -50 0.3 50 120 -150 naar +200 0 0.5 50 140 -100 naar +250 (versmalling) +50 0.8 60 100 -150 naar +200 0 0.4 60 120 -100 naar +250 +50 0.7 70 100 -100 naar +200 (versmalling) +50 0.6
Specificaties voor praktische anodische beschermingssystemen voor 316 verwarmingstoestellen

De volgende systeemparameters bieden betrouwbare CSCC-preventie voor 316 verwarmingselementen met mantel in hete bijtende werking met anodische bescherming:

Systeemparameter Vereiste specificatie Verificatiemethode
Referentie-elektrode Ag/AgCl met 3M KCl, stabiel tot 120 graden Pre-installatiekalibratie
Werkelektrode (verwarmer) Gekoppeld aan de positieve terminus van de potentiostaat. Controleer de continuïteit
Tegen-elektrode (kathode)Platinum of geplatineerd titanium. Minimale oppervlakteverhouding kathode:anode 1:2
Potentiostaatkalibratie Potentieel instelpunt -50 tot 0 mV (voor 50% NaOH bij 120 graden)
Mogelijke tolerantie ± 20 mVDataregistratie
Vereiste stroomdichtheid 0,3-0,8 mA/cm² afhankelijk van de temperatuurInitiële stroom in pad
Failsafe Interlock -If potential drifts >+250 mV of<-250 mV, shut-down heater Alarm + shut-down
Veldidentificatie van mislukte bijtende bescherming

Een 316-verwarmer scheurt bij bijtende werking, ondanks anodische afscherming. Er zijn drie faalscenario’s mogelijk. Ten eerste veroorzaakt een mogelijke drift naar het transpassieve gebied (+200 tot +350 mV) transgranulaire SCC-scheuren met ernstige oxidatie (getint oppervlak). Ten tweede, potentiële drift naar het actieve gebied (<-200 mV) leads to widespread corrosion with pitting. Third, loss of power to the potentiostat (unprotected operation) leads to fast CSCC, with cracks developing within 50-200 hours. The cause will be determined by reviewing the log of the failed heater (if logged). Proper anodic protection can be restored by recalibrating the reference electrode, inspecting electrical connections and optionally reducing the heater power density.

Conclusie: Specificatie van anodische bescherming voor bijtende toepassingen

Het vermijden van bijtende spanningscorrosie bij verwarmingselementen met roestvrijstalen behuizing 316 in 50% NaOH bij 120 graden wordt alleen gerealiseerd door het metaalpotentieel tussen -150 en +200 mV versus Ag/AgCl (3M KCl) in het passieve venster te houden.