Under hvilken spesifikk kombinasjon av anvendt anodisk beskyttelsespotensial og kappetemperatur forblir 316 rustfritt stålvarmerør i 50 % kaustisk soda (NaOH) ved 120 grader passiv uten kaustisk spenningskorrosjon

Elektrokjemisk kontroll i forebygging av kaustisk sprøhet

Kaustisk spenningskorrosjon (CSCC, eller kaustisk sprøhet) er en viktig sviktmodus for 316 rustfrie stålbeklædte elektriske varmerør i kaustisk soda (NaOH) service ved høye temperaturer (f.eks. fordampere, konsentratorer eller kaustiske overføringsledningsvarmere). Kaustisk SCC finner sted i varme NaOH-løsninger ved temperaturer over rundt 70-80 grader, med følsomheten økende dramatisk med både temperatur og kaustisk konsentrasjon. Dette er i motsetning til klorid SCC, som krever spesielle kombinasjoner av temperatur og kloridkonsentrasjon. Ved 50 % NaOH (en typisk industriell konsentrasjon) ved 120 grader er 316 svært følsom for CSCC under frie korrosjonsforhold, med sprekkdannelser i løpet av dager til uker. CSCC kan unngås helt ved bruk av påført anodisk beskyttelse (dvs. potensiostatisk kontroll av metallet i det passive området). Den viktige parameteren er det påførte potensialet i forhold til en referanseelektrode (ofte Ag/AgCl). Det passive området for 316 i 50 % NaOH ved 120 grader er omtrent -200 mV til +200 mV vs. Ag/AgCl. Sprekking oppstår ved potensialer lavere enn -200 mV (aktiv region) eller høyere enn +200 mV (transpassiv region). Denne artikkelen kvantifiserer anodisk beskyttelsespotensialvinduer for forebygging av CSCC ved forskjellige temperaturer og kaustiske konsentrasjoner.

Mekanisme for kaustisk spenningskorrosjon og dens forebygging

Kaustisk SCC av 316 rustfritt stål er selektiv oppløsning av det passive belegget ved korngrenser (intergranulær sprekkdannelse i lavere legeringer; transgranulær i 316 ved høyere temperaturer) under strekkspenning i konsentrerte NaOH-løsninger. Den passive filmen på 316 i kaustisk er en jern- og kromhydroksid-/oksidfilm som kun er stabil i et begrenset potensialområde. Under det passive potensialområdet (høyere negative potensialer) korroderer metallet aggressivt (generell korrosjon). Over det passive området (høyere positive potensialer) skjer transpassiv oppløsning, hvor krom oksideres til løselig kromat (CrO4 2-) og SCC initieres. En regulert anodisk spenning i det passive området stabiliserer den passive filmen og fjerner drivkraften for lokalisert sammenbrudd.

Kvantifiserte anodiske beskyttelsesvinduer for 50 % NaOH ved 120C

Det passive området og sprekkgrensene som funksjon av påført spenning vs Ag/AgCl (3M KCl) er bestemt i 50 % NaOH ved 120 grader ved kontrollerte potensiostatiske tester av 316 rustfritt stål (U-bøyeprøver under konstant strekkspenning).

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 >5000 Bright, ingen angrep akseptabelt (borderline)
-150 to +100 Passive (optimum) 0.01-0.02 >10 000 Bright, passiv Best +100 til +200 Passiv (høy) 0.02-0.05 2, 000-5,000 Tint (oksidfortykning) Akseptabel +200 til +250 Transpassiv kant 0.1-0.3 500-1,500 Liten gropdannelse Marginal +250, 000-5,000 Tint (oksidfortykning) Akseptabelt +200 til +250 Transpassiv kant 0.1-0.3 500-1,500 Liten gropdannelse Marginal +250} CSt {3}Cpassive anbefalt > +350 Oksygenutvikling 1-5<100 Severe CSCC + pitting No
Påvirkning av kaustisk konsentrasjon og temperatur på beskyttelsespotensialområdet

Det passive potensialvinduet varierer med kaustisk konsentrasjon og temperatur. Følgende er en tabell over anbefalte beskyttelsespotensialer ved forskjellige forhold.

NaOH kons. (vekt%) Temperatur (grad) Passivt område (mV versus Ag/AgCl, 3M KCl) Optimalt beskyttelsespotensial (mV) Minimum anbefalt strømtetthet for beskyttelse (mA/cm2)
30 100 -300 til +50 -150 0.1 30 120 -250 til +100 -100 0.2 40 100 -250 til +100 -100 0.2 40 120 -200 til +150 -50 0.3 50 100 -200 til +150 -50 0.3 50 120 -150 til +200 0 0.5 50 140 -100 til +250 (avsmalnende) +50 0.8 60 100 -150 til +200 0 0.4 60 120 -100 til +250 +50 0.7 70 100 -100 til +200 (smal) +50 0.6
Spesifikasjoner for praktiske anodiske beskyttelsessystemer for 316-varmere

Følgende systemparametere tilbyr pålitelig CSCC-forebygging for 316-mantlede varmeovner i varm kaustisk drift med anodisk beskyttelse:

Systemparameter kreves Spesifikasjon Verifikasjonsmetode
Referanseelektrode Ag/AgCl med 3M KCl, stabil opp til 120 grader Pre-kalibrering før installasjon
Arbeidselektrode (varmeelement) Koblet til potensiostatens positive ende. Sjekk kontinuiteten
Mot-elektrode (katode)Platina eller platinisert titan. Minste overflateforhold katode:anode 1:2
Potensiostatkalibrering Potensielt settpunkt -50 til 0 mV (for 50 % NaOH ved 120 grader)
Mulig toleranse ± 20 mVData-logging
Nødvendig strømtetthet 0,3-0,8 mA/cm² avhengig av temperatur Startstrøm i banen
Failsafe Interlock -If potential drifts >+250 mV eller<-250 mV, shut-down heater Alarm + shut-down
Feltidentifikasjon av mislykket kaustisk beskyttelse

En 316-varmer sprekker i kaustisk effekt til tross for anodisk skjerming. Tre feilscenarier er mulige. For det første forårsaker en mulig drift inn i det transpassive området (+200 til +350 mV) transgranulære SCC-sprekker med alvorlig oksidasjon (farget overflate). For det andre, potensiell drift inn i den aktive regionen (<-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.

Konklusjon: Spesifikasjon av anodisk beskyttelse for kaustisk tjeneste

Unngåelse av kaustisk spenningskorrosjonssprekker av 316 rustfritt stål innkapslede varmeovner i 50 % NaOH ved 120 grader oppnås kun ved å opprettholde metallpotensialet mellom -150 og +200 mV vs. Ag/AgCl (3M KCl), i det passive vinduet.