Wat is de maximale levensduur van een 316 roestvrijstalen omhulsel met een wanddikte van 1,2 millimeter Wat is de maximale levensduur van een 316 roestvrijstalen omhulsel met een wanddikte van 1,2 millimeter bij continu gebruik van 15% fosforzuur bij 110 graden Celsius? Kness bij continu gebruik van 15% fosforzuur bij 110 graden Celsius?

Bij het kiezen van het mantelmateriaal voor elektrische verwarmingselementen die worden gebruikt in chemische procestoepassingen zoals de productie van fosfaatkunstmest, metaalbehandelingsbaden en voedselverwerkingsapparatuur die fosforzuur verwerkt, moeten zowel corrosieweerstand als thermische prestaties in overweging worden genomen. Fosforzuur is niet zo agressief als zoutzuur of zwavelzuur, maar bij verhoogde temperaturen boven 80oC en hoge concentraties boven 10% kan een versnelde aantasting van roestvrij staal 316 optreden, met name op laszones en plaatsen met hoge restspanningen. De wanddikte van de mantel bepaalt de corrosietolerantie voor de verwarmer tijdens zijn levensduur, maar de verbinding is niet-lineair in die zin dat de corrosiesnelheid de neiging heeft toe te nemen naarmate de wand dunner wordt en de lokale stroomdichtheid toeneemt. Dit artikel presenteert een kwantitatieve levensduurvoorspelling voor een 316-mantel van 1,2 mm in 15% fosforzuur bij 110 graden, gebaseerd op bekende corrosiegegevens en veldervaring in chemische faciliteiten.

Corrosiegedrag van roestvrij staal 316 in heet fosforzuur
In fosforzuurconcentraties tussen 10% en 30% bij temperaturen boven 80 graden heeft 316 roestvrij staal algemene corrosiesnelheden van 0,1 tot 0,5 mm/jr, afhankelijk van de zuurzuiverheid, temperatuur en stroomsnelheid. Het corrosiemechanisme is meestal een gelijkmatige verdunning in plaats van putvorming, aangezien fosforzuur geen krachtig oxidatiemiddel is en geen chloriden bevat die verantwoordelijk zijn voor plaatselijke aantasting. Commercieel fosforzuur bevat verontreinigingen zoals fluoriden, sulfaten en chloriden uit fosfaatgesteente, die de aantasting kunnen versnellen en aanleiding kunnen geven tot putvorming. De algemene corrosiesnelheid van 316 in 15% fosforzuur bij 110 graden met normale industriële zuiverheid is ongeveer 0,25 mm/jaar. Deze snelheid is gebaseerd op het feit dat de oppervlaktetemperatuur van de mantel binnen 5 graden ligt van de temperatuur van het bulkzuur. In feite veroorzaakt de warmteflux een hogere temperatuur van de verwarmingsmantel. Voor een 316-wandmantel van 1,2 mm bij 6 W/cm² in een zuurgraad van 110 graden bedraagt ​​de buitenoppervlaktetemperatuur ongeveer 125 graden. Bij deze temperatuur neemt de corrosiesnelheid toe tot ongeveer 0,35 mm/j. De temperatuur wordt verhoogd door de warmteflux, en er wordt nog eens 40% toegevoegd aan de corrosiesnelheid ten opzichte van de bulkzuurtemperatuur.

1.2 Schatting van de levensduur voor wanddikte van millimeters
316 schede heeft een nominale dikte van 1,2 mm. De productietoleranties bedragen echter ±0,1 mm. Dit betekent dat de minimale dikte 1,1 mm kan zijn. De conservatieve schatting van de levensduur is gebaseerd op de minimale dikte. Het gebruikt 0,35 mm/jaar en de corrosiesnelheid is 0,35 mm/jaar. Maar er zal een mislukking optreden voordat de muur volledig kan worden opgegeten. De minimale structurele dikte is 0,5 mm om weerstand te bieden aan interne druk als gevolg van MgO-expansie en externe procesdruk. De bruikbare corrosietoeslag bedraagt ​​dus 1,1 mm – 0,5 mm=0.6 mm. De voorspelde levensduur is 0,6/0.35=1.7 jaar bij 0,35 mm per jaar. Dit is het moment waarop de mantel zijn minimale structurele dikte bereikt. Verwarmingselementen worden zelfs vaak vervangen bij een resterende wanddikte van 0,7–0,8 mm, om een ​​veiligheidsmarge mogelijk te maken. Bij deze vervangingsdrempel daalt de levensduur tot ongeveer 1,2 jaar. De initiële wanddikte voor een levensduur van 5 jaar zou 0,35 x 5 jaar + 0.5 (structurele marge) + 0.1 (tolerantie)=2.35 mm of ongeveer 2,5 mm moeten zijn. Daarom is een 316-mantel met een wanddikte van 1,2 mm in deze toepassing alleen geschikt voor toepassingen waarbij jaarlijkse vervanging acceptabel is.

Aanbevolen wanddikte van fosforzuur
De volgende tabel geeft een overzicht van de aanvaardbare wanddiktes van de mantel voor elektrische verwarmingselementen in fosforzuurgebruik als functie van de concentratie, temperatuur en gewenste levensduur. Waarden gelden voor zuur van industriële kwaliteit met normale onzuiverheden en een wattdichtheid van 4 tot 6 W/cm2.

Fosforzuurconcentratie|Bulkzuurtemperatuur|Doellevensduur|Aanbevolen minimale wanddikte 316|Levensduur bij aanbevolen dikte Verwachte corrosiesnelheid aan het oppervlak
10 – 15 % 80 – 100 graden 2 jaar 1,2 mm 0,20 – 0,30 mm/jaar 1,5 – 2,5 jaar
10 – 15% 80 – 100 graden 5 jaar 2,0 mm 0,20 – 0,30 mm/jaar 4-6 jaar
10–15% 100–120 graden 2 jaar 1,6 mm 0,30–0,45 mm/jaar 2–3 jaar
10 – 15% 100 – 120 graden 5 jaar 2,5 mm 0,30 – 0,45 mm/jaar 5 – 7 jaar
15 – 25% 80 – 100 graden 2 jaar 1,6 mm 0,25 – 0,40 mm/jaar 2 – 3 jaar
15 – 25% 80 – 100 graden 4 jaar 2,5 mm 0,25 – 0,40 mm/jaar 4 – 6 jaar
15 – 25% 100 – 120 graden 1 jaar 1,6 mm 0,40 – 0,60 mm/jaar 1 – 2 jaar
15 – 25% 100 – 120 graden 3 jaar 2,5 mm 0,40 – 0,60 mm/jaar 3 – 4 jaar
>25% Elke temperatuur Alle Niet aanbevolen > 0,60 mm/jr Onvoorspelbaar; gebruik een hogere legering
Roestvrij staal 316 is normaal gesproken niet geschikt voor fosforzuurconcentraties van meer dan 25% bij temperaturen boven 100 graden, ongeacht de wanddikte. In dit scenario zouden ingenieurs kunnen overwegen om te upgraden naar een legering met een hoog{4}}molybdeengehalte, zoals Alloy 20 (Carpenter 20) of Alloy 625, die corrosiesnelheden hebben die twee ordes van grootte lager zijn dan 316 in heet fosforzuur.

Ontwerpwijzigingen om de levensduur te verlengen zonder de wanddikte te vergroten
Wanneer ruimte- of thermische responsoverwegingen het gebruik van een 1,2 mm 316-mantel voor gebruik met heet fosforzuur voorschrijven, zijn er drie ontwerpaanpassingen beschikbaar om de levensduur veel langer dan de geschatte 1,7 jaar te verlengen. Ten eerste is er de vermindering van de wattdichtheid. Wanneer het bedrijfsniveau wordt verlaagd van 6 W/cm² naar 3 W/cm², wordt de temperatuur van het manteloppervlak verlaagd van 125 graden naar ongeveer 116 graden en de corrosiesnelheid van 0,35 naar ongeveer 0,22 mm per jaar. Hierdoor wordt de levensduur verlengd van 1,7 jaar naar 2,7 jaar. De tweede verandering is het passiveren van het manteloppervlak met 20% salpeterzuur bij 50 graden gedurende 60 minuten vóór installatie. Passivering elimineert ingebedde ijzerdeeltjes en vergroot de dikte van de chroomoxidelaag, waardoor de initiële corrosiesnelheid tijdens de eerste paar maanden van gebruik met 20-30% wordt verminderd. De derde verandering is het beheren van de zuiverheid van het zuur. Als de fluoriden onder de 50 ppm en de chloriden onder de 100 ppm gehouden kunnen worden, kan de corrosie beperkt worden tot 0,15–0,20 mm per jaar en zal de levensduur 3–4 jaar bedragen. Bij belangrijke toepassingen waarbij een onvoorziene storing van de verwarming tot een aanzienlijk productieverlies zou leiden, moeten ingenieurs een reserveverwarming inbouwen of de tank uitbouwen met dubbele verwarmingselementen, zodat de ene kan worden vervangen en de andere de temperatuur op peil houdt. De kosten van een reserveverwarmer zijn verwaarloosbaar vergeleken met de kosten van een onvoorziene stopzetting van de continue chemische productie. Specificeer het testen van corrosiecoupons met het echte zuur in de processtroom bij het selecteren van de verwarmers voor fosforzuurgebruik. De zuurzuiverheid in de echte wereld varieert sterk van plant tot plant en zelfs van productiebatch tot productiebatch, dus gepubliceerde gegevens geven schattingen. Een drie maanden durende coupontest van een 316-monster van 1,2 mm, blootgesteld aan het proceszuur bij de verwachte manteltemperatuur, is de beste indicator voor de levensduur. Normaal gesproken zijn de kosten van deze test lager dan de kosten van één defecte verwarming.