Ved hvilken spesifikk kombinasjon av kaustisk konsentrasjon og kappeoverflatetemperatur går en 1,6 millimeter 316 rustfritt stål kappe over fra passiv til aktiv korrosjon i natriumhydroksidtjeneste for CIP-systemer?

Prosessingeniører som bygger elektriske nedsenkingsovner for rene-på stedet-systemer for matforedling, farmasøytisk produksjon og produksjon av drikke, bruker natriumhydroksid som det viktigste rengjøringskjemikaliet. Typiske CIP-løsninger består av 1-3% NaOH ved 70-85 grader. I denne situasjonen dannes den passive filmen, og generelt er korrosjonsmotstanden til 316 rustfritt stål god. Ved høyere konsentrasjoner eller høyere overflatetemperaturer fra varmeapparatets watttetthet kan imidlertid den passive filmen brytes ned og aktiv korrosjon kan oppstå med hastigheter som overstiger 1 millimeter per år. Typiske veggtykkelser på CIP-varmere er 1,6 mm, noe som gir et rimelig kompromiss mellom korrosjonsgodtgjørelse og termisk respons. Papiret fastslår den kaustiske konsentrasjonen og mantelens overflatetemperatur der en 1,6 mm 316 kappe endres fra passiv til aktiv korrosjon i natriumhydroksidtjeneste.

316 Overgang i natriumhydroksid fra passiv til aktiv
Natriumhydroksid er unik blant alkaliske løsninger ved at korrosjonsadferden til 316 rustfritt stål viser en klar passiv -aktiv overgang som er avhengig av både konsentrasjon og temperatur. I fortynnede løsninger under 5 % NaOH og temperaturer under 80oC, forblir 316 passiv med korrosjonshastigheter mindre enn 0,05 mm per år. Når konsentrasjonen øker eller temperaturen øker, blir den passive filmen ustabil. Ved 10% NaOH er overgangstemperaturen omtrent 90 grader. Den synker til 75C 20% NaOH. Ved 30 % NaOH synker verdien til 60 grader. Ved 50 % NaOH, over 40 grader, forsvinner det passive området fullstendig. Overflatetemperaturen på kappen er vanligvis 15–30 grader høyere enn bulkløsningstemperaturen for en el-varmer på grunn av den påførte watt-tettheten. Et CIP-system med 3 % NaOH og 80 graders bulktemperatur med en varmeovn på 8 W/cm² gir en manteloverflatetemperatur på 95-105 grader. Det passive belegget på 316 kan brytes ned ved denne overflatetemperaturen og aktiv korrosjon oppstår med hastigheter på 0,5–2 mm per år. Aktiv korrosjon vil punktere en 1,6 mm kappe i løpet av 1–3 år, men passiv drift vil gi 10+ års bruk.

Kritiske overgangsterskler for 1,6 mm kappe
Elektrokjemisk testing av 316 prøver i natriumhydroksidløsninger ved CIP-servicerelaterte temperaturer har vist at følgende kombinasjoner av kaustisk konsentrasjon og manteloverflatetemperatur vil føre til passiv -til-aktiv overgang for en 1,6 mm vegg. Verdiene er for standard polert overflatepolering og en typisk watttetthet på 6–8 W/cm².

Natriumhydroksidkonsentrasjon (vekt%) Passiv til aktiv overgangstemperatur Minimum kappeoverflatetemperatur for aktiv korrosjon Sikker bulktemperatur for 1,6 mm kappe ved 8 W/cm2 (25 graders stigning) Forventet korrosjonshastighet i aktivt regime
1 – 2% >100 grader 100 grader 75 grader 0,3 – 0,7 mm/år
2 – 3 % 95 – 100 grader 95 – 100 grader Opp til 70 – 75 grader 0,5 – 1,0 mm/år
3 – 5 % 85 – 95 grader 85 – 95 grader Opp til 60 – 70 grader 0,8 – 1,5 mm/år
5 – 7 % 75 – 85 grader 75 – 85 grader Opp til 50 – 60 grader 1,0 – 2,0 mm/år
7 – 10 % 65 – 75 grader 65 – 75 grader Opp til 40 – 50 grader 1,5 – 3,0 mm/år
10 – 15 % 55 – 65 grader 55 – 65 grader Opp til 30 – 40 grader 2,0 – 4,0 mm/år
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/år
For et CIP-system med en bulktemperatur på 80 grader og 2 % NaOH som bruker en 1,6 mm kappe ved 8 W/cm2, er mantelens overflatetemperatur rundt 105 grader, høyere enn overgangsterskelen på 100 grader. Aktiv korrosjon vil oppstå og kappen kan perforeres i løpet av 1-2 år. Ved å senke watt-tettheten til 4 W/cm² reduseres overflatetemperaturstigningen til 12–15 grader mens kappetemperaturen holder seg på 92–95 grader, som er under 100 graders terskelen. Denne endringen gir mulighet for 5-10 års levetid.

1,6 millimeter kappe sikker driftskonvolutt i kaustisk CIP-tjeneste
Følgende tabell gir maksimalt tillatt bulk natriumhydroksidkonsentrasjon for en 1,6 mm 316 kappe ved forskjellige bulktemperaturer og watttettheter. For visse konsentrasjonsverdier holdes kappens overflatetemperatur minst 5 grader under den passive-til-aktive overgangstemperaturen.

Bulk Solution Temperatur Watt-tetthet 4 W/cm2 (12 graders økning) Watt-tetthet 6 W/cm2 (18 graders stigning) Watt-tetthet 8 W/cm2 (25 graders stigning) Watt-tetthet 10 W/cm2 (32 graders stigning) 60 grader Sikkert til 10 % NaOH Sikkert til 7 % NaOH Sikkert til 7 % NaOH 5 % Safe 65 grader Sikker til 8 % NaOH Prosent sikker til 5 NaOH Sikker til 3 % NaOH Sikker til 2 % NaOH 70 grader Sikker til 6 % NaOH Sikker opptil 4 % NaOH Sikker opptil 2 % NaOH Ikke sikker over 1 % 75oC Ikke sikker over 5 % NaOH maks 3 %, sikker NaOH 5 % Sikker opp til 8 % Sikker NaOH 5 % Sikker opp til 8 % opptil 4 % NaOH trygt opptil 2 % NaOH Ikke trygt over 1,5 % Ikke trygt 85 grader Sikkert opptil 3 % NaOH Opptil 1,5 % NaOH trygt Ikke trygt Ikke trygt
90 grader Sikker opptil 2 % NaOH Ikke trygt over 1 % Ikke trygt Ikke trygt
For en typisk CIP-syklus ved 80 grader med 2 % NaOH, er en 1,6 mm 316 kappe trygg bare ved watttettheter på 4 W/cm2 eller mindre. Ved en industriell watttetthet på 8 W/cm² vil varmeren være i det aktive korrosjonsregimet, og en begrenset levetid på 1–3 år bør forutses i stedet for de ofte antatte 5–10 årene.

Designendringer for passiv drift
Tre designmodifikasjoner kan gjøres for å bevare passiv drift uten å endre mantelmaterialet under CIP-prosessforhold som ellers ville tvinge en 1,6 mm 316 kappe til aktiv korrosjon (f.eks. kaustiske konsentrasjoner eller temperaturer): Den første metoden er å øke den oppvarmede lengden på elementet for å redusere watt-tettheten. En dobling av lengden (1 m til 2 m) reduserer temperaturstigningen på kappen fra 25 grader til 12 grader og går tilbake til passiv funksjon når watttettheten reduseres fra 8 W/cm2 til 4 W/cm2 . Den andre justeringen er å forbedre sirkulasjonen over varmeoverflaten. For samme watttetthet kan overflatetemperaturstigningen reduseres til 8–10 grader med en hastighet på 2–3 m/s ved hjelp av en CIP-sirkulasjonspumpe. Den siste endringen er tilsetningen av en korrosjonsinhibitor til den kaustiske løsningen. Silikater eller fosfater ved 100 til 200 ppm kan stabilisere den passive filmen på 316 og øke overgangstemperaturen med 10 til 20 grader. Men disse endringene vil sannsynligvis ikke være nok for CIP-systemer som krever 5% NaOH ved 80oC. I disse tilfellene bør ingeniøren spesifisere bruken av en nikkel-basert legering som Alloy 600 eller Alloy 825, som er passive i kaustiske løsninger opp til 50 % konsentrasjon ved temperaturer over 100 grader. Kostnaden for oppgradering fra 316 til Alloy 825 er vanligvis 2-3 ganger høyere, men levetiden øker fra 1-2 år til 10-15 år. Fortell alltid leverandøren når du spesifiserer varmeovner for CIP-service: maksimal konsentrasjon av kaustisk, bulktemperaturen og forventet syklustid. Når en produsent foreslår 316 for 5 % NaOH ved 85 grader C uten hensyn til passiv-aktiv overgang eller reduksjon for watttetthet, er det ikke passende teknisk råd. Endringen fra passiv til aktiv korrosjon i natriumhydroksid er brå og en funksjon av temperaturen. En 316 kappe med 1,6 mm tykkelse som opererer like under terskelen kan vedvare i ti år; en som opererer like etter den kan mislykkes om 18 måneder. Nøyaktig termisk analyse av kappens overflatetemperatur er nødvendig for pålitelig spesifikasjon.