Hva er den maksimalt tillatte veggtykkelsen på 316 rustfritt stål for en elektrisk nedsenkingsvarmer i høy-renhet avionisert vann over 90 grader Celsius? Hva er den maksimalt tillatte veggtykkelsen på 316 rustfritt stål for en elektrisk nedsenkingsvarmer i høy vanntemperatur {{4}

High-purity deionised water is a dilemma for engineers designing electric immersion heaters for semiconductor manufacturing, medicinal water systems and laboratory equipment. Deionised water is highly corrosive to many metals since it lacks dissolved ions to provide protective passive layers, even though it has great electrical resistance. The passive chromium oxide coating on 316 stainless steel is stable in deionised water at room temperature. However, at higher temperatures (>80 grader) synker løseligheten av oksygen og korrosjonspotensialet øker, noe som resulterer i en endring fra passiv til aktiv korrosjon. Veggtykkelsen på 316 kappe styrer korrosjonstillatelsen over varmerens levetid og overflatetemperaturen for en viss watttetthet. Publisert korrosjonshastighetsstatistikk, sammen med praktisk erfaring fra ultrarent vannbransjen, brukes til å bestemme den maksimale akseptable veggtykkelsen for 316 kapper i avionisert vann med høy renhet.

Mekanismer for korrosjon av 316 rustfritt stål i høytemperatur avionisert vann
I avionisert vann med høy renhet (resistivitet > 1 megohm-centimeter) er konsentrasjonen av fiendtlige ioner, som klorider, svært lav. Men at fraværet av oppløste salter gjør ikke nødvendigvis vannet vennlig. For temperaturer over 80 grader er 316 rustfritt stål utsatt for generell korrosjon og mer alvorlig for lokal korrosjon på steder der den passive filmen brytes ned. Korrosjonshastigheten i avionisert vann er Arrhenius-relatert, og øker med rundt en faktor to for hver 25 graders temperaturøkning. Den generelle korrosjonshastigheten på 316 i avionisert vann ved 90 grader er omtrent 0,02 til 0,05 mm/år. Hastigheten øker til 0,10-0,20 millimeter per år ved 120 grader C. Ved 150 grader er hastigheten 0,30–0,50 mm/år. Selv om disse hastighetene kan virke lave, representerer en slitasjehastighet på 0,10 mm per år 0,5 til 1,0 mm veggtykkelse for en varmeovn som er designet for å gå kontinuerlig i 5 til 10 år. Den opprinnelige kappetykkelsen på 1,0 mm vil bli redusert til 0,5 mm etter fem år, når mekanisk integritet er tvilsom. Rusten er ikke helt jevn. Pitting og sprekkkorrosjon, spesielt ved monteringsgrensesnitt og sveisesoner, kan forårsake lokaliserte penetrasjonshastigheter to til fem ganger større enn den generelle korrosjonshastigheten.

Effekter av veggtykkelse og levetid for avionisert vann
Forholdet mellom 316 kappeveggtykkelse og levetid i avionisert vann med høy temperatur er nesten lineært hvis generell korrosjon er den primære mekanismen. For en 5 års levetid ved 95 grader med en korrosjonshastighet på 0,04 mm/år er nødvendig korrosjonsgodtgjørelse 0,20 mm. Dette med en minimum konstruksjonsveggtykkelse på 0,7 mm betyr at det er behov for en innledende veggtykkelse på 0,9 mm. En kappe på 1,2 mm vil gi en sikkerhetsmargin på 0,3 mm utover korrosjonsgrensen, og vil gi en mulig levetid på over åtte år. Men for en gitt watttetthet betyr tykkere vegger høyere temperaturer på den ytre overflaten. Høyere overflatetemperaturer akselererer eksponentielt korrosjon i avionisert vann. En 2,0 mm kappe ved 10 W/cm² i 95 graders vann kan ha en ytre overflatetemperatur på 115 grader. Korrosjonshastigheten ved denne temperaturen er rundt 0,08 mm per år-det dobbelte av 1,2 mm kappen ved en overflatetemperatur på 105 grader. Den tykkere kappen krever mer korrosjonsgodtgjørelse, men korroderer også raskere. Denne interaksjonen etablerer en ideell veggtykkelse for størst levetid i stedet for et monotont forhold. Publiserte korrosjonsdata har blitt brukt til å beregne den optimale 316 kappeveggtykkelsen for maksimal levetid ved 95 grader avionisert vann ved 10 W/cm², som er i størrelsesorden 1,4 mm. Et korrosjonstillegg på mindre enn 1,0 mm er ikke nok. Ved mer enn 1,8 mm dominerer den økte korrosjonen på grunn av høyere overflatetemperatur tilleggsmaterialet.

Maksimal anbefalt veggtykkelse for service med avionisert vann
Tabellen nedenfor gir foreslåtte maksimale 316 kappeveggtykkelser for elektriske varmeovner i avionisert vann med høy-renhet. Verdiene er for kontinuerlig drift, oksygennivåer < 100 deler per milliard og resistivitet > 1 megohm-centimeter. Korrosjonshastigheter kan være høyere, og derfor bør det leveres systemer med høyere oksygennivåer eller lavere renhet og tynnere vegger.

Avionisert vanntemperatur Anbefalt Watt-tetthetsområde Maksimal anbefalt 316 Mantelveggtykkelse Forventet levetid ved maksimal tykkelse Feilmodus ved maksimal tykkelse Alternativ anbefaling 80 – 90 grader 8 – 12 W/cm2 1.8 mm 8 – 10 år Akseptabel korrosjon for tynn bruk{8} lang levetid{8} 90 grader 12 – 15 W/cm2 1.4 mm 6 – 8 år Korrosjon pluss termisk spenning Standardanbefaling 90 – 100 grader 6 – 10 W/cm2 1.6 mm 5 – 7 år Gruper ved overflatedefekter Reduser watttettheten for lengre levetid
90 – 100 grader 10 – 12 W/cm² 1,2 mm 4 – 6 år Generell korrosjon Mest typiske spesifikasjoner 100 – 120 grader 4 – 8 W/cm² 1,2 mm 3 – 5 år Akselerert korrosjon Vurder titankappe
100 – 120 grader 8 – 10 W/cm² 1,0 mm 2 – 3 år Korrosjonsutmattelse Oppgraderingslegering anbefales
>120 grader<5 W/cm² Not advisable Unpredictable Sudden localised corrosion Use titanium or alloy C-276
For avionisert vannbruk over 100 grader bør ingeniører seriøst vurdere å oppgradere fra 316 rustfritt stål til titan eller en høy-nikkellegering som Alloy 22. Titan har en korrosjonshastighet i høytemperatur de-ionisert vann som er to størrelsesordener lavere enn 316. Dette tillater en betydelig tynnere vegg og lengre levetid. De høyere startkostnadene for titan blir ofte kompensert av mindre hyppig utskifting og ingen fare for metallisk forurensning ved sensitive operasjoner.

Designendringer for å øke levetiden uten å øke rørveggen
Når en tykk 316 kappe er nødvendig av mekaniske årsaker som trykkbegrensning eller vibrasjonsmotstand i en avionisert vannapplikasjon, er det tre designjusteringer som kan oppveie den akselererte korrosjonen fra høyere overflatetemperatur. Den første og mest effektive er å minimere watttettheten. Reduksjonen av kappens ytre overflatetemperatur med omtrent 10–15 grader ved reduksjon av watt-tettheten fra 12 W/cm² til 6 W/cm² fører til en reduksjon av korrosjonshastigheten med 30–40 %. Avveiningen er at du trenger lengre eller større varmeovner for å få samme totale effekt. Den andre endringen er å passivere kappeoverflaten etter dens fabrikasjon. Salpetersyre eller sitronsyre passiveringsbehandling eliminerer fritt jern og overflateurenheter for å generere et mer jevnt og stabilt passivt belegg som motstår korrosjonsstart. I kontrollerte tester har passiverte 316-kapper vist korrosjonshastigheter som er 20-30 % lavere enn for ikke-passiverte prøver i avionisert vann. Den tredje endringen er vannkjemikontroll. Hold oppløst oksygen under 5 deler per milliard. Bruk nitrogentepper eller vakuumavgassing for å oppnå dette. Dette reduserer den katodiske reaksjonshastigheten og hemmer korrosjon. Men svært lave oksygennivåer kan også føre til passiv filmustabilitet. Så et begrenset vindu på 5–50 deler per milliard er best. Disse justeringene er ikke mulige for de fleste avioniserte vannsystemer, og kontroll av veggtykkelse er hovedmetoden for å kontrollere korrosjonslevetiden. I stedet for å velge en veggtykkelse i henhold til mekaniske tommelfingerregler, bør ingeniører informere varmeovnsprodusenten om nødvendig levetid og be om en beregnet korrosjonstillegg basert på forventet driftstemperatur og watttetthet.