Linia do wytrawiania stali nierdzewnej wymieniła trzecią grzałkę zanurzeniową 316L w ciągu dwóch lat. Każdy grzejnik uległ awarii w ten sam sposób,-powodując korozję wżerową wzdłuż szwów spawalniczych i na przewodzie cieczy, a następnie-przecieki przez ściany, które zanieczyściły wannę. Roztwór trawiący był mieszaniną kwasu azotowego i kwasu fluorowodorowego o temperaturze 55 stopni, czyli chemii, do której stal nierdzewna 316L nie jest przystosowana. Zespół konserwacyjny założył, że stal nierdzewna będzie odpowiednia, ponieważ kąpiel zawierała „tylko kwas”. Porażki pokazały, że jest inaczej.
Stal nierdzewna 316L jest domyślnym materiałem w wielu zastosowaniach grzałek zanurzeniowych. Jest niedrogi, łatwo dostępny i odporny na szeroką gamę łagodnych chemikaliów. Jednak w przypadku trawienia mieszanymi kwasami,-szczególnie tych zawierających kwas fluorowodorowy, chlorki lub kwasy redukujące o wysokim stężeniu, 316L jest złym wyborem. PTFE, pomimo niższej przewodności cieplnej i wyższego kosztu, zapewnia trwałość użytkową, której stal nierdzewna nie jest w stanie dorównać.
Dlaczego 316L zawodzi w trawieniu mieszanym kwasem
Stal nierdzewna 316L opiera się na pasywnej warstwie tlenku chromu, zapewniającej odporność na korozję. Film jest stabilny w środowiskach utleniających i w wielu łagodnych kwasach. Rozkłada się w obecności określonych agresywnych gatunków.
Najbardziej szkodliwy jest kwas fluorowodorowy. Jony fluoru atakują bezpośrednio warstwę pasywną, zapobiegając jej ponownemu tworzeniu się. Po naruszeniu warstwy metal znajdujący się pod spodem szybko ulega korozji. Korozja ma charakter miejscowy,-wżery, ataki szczelinowe i-napady linii spawu-, a nie jednorodna. Grzejnik może stracić grubość ścianki na małym obszarze i ulec awarii, podczas gdy reszta osłony nadal wygląda na nienaruszoną.
Chlorki powodują podobne uszkodzenia, chociaż mechanizm jest inny. Jony chlorkowe wnikają w warstwę pasywną w słabych punktach i inicjują wżery. Wgłębienia pogłębiają się i mogą przenikać przez ścianę. Mieszane azotowe-kąpiele trawiące fluorowodorowe zawierają obydwa gatunki, a ich połączenie jest bardziej agresywne niż każdy z nich osobno.
| Chemia | Szybkość korozji 316L | Tryb ataku podstawowego | Oczekiwany okres użytkowania | Przydatność PTFE |
|---|---|---|---|---|
| 10% kwas azotowy, 50 stopni | <0.1 mm/year | Jednolity, łagodny | >10 lat | Dobry |
| 10% azotu + 2% HF, 50 stopni | 1,0–5,0 mm/rok | Wżery, atak spoiny | 3–10 miesięcy | Doskonały |
| 15% azotu + 3% HF, 55 stopni | 3,0–10,0 mm/rok | Ciężkie wżery | 1–4 miesiące | Doskonały |
| 20% HCl, 60 stopni | 5,0–15,0 mm/rok | Wżery, szczelina | <2 months | Doskonały |
| 10% siarki + 2% HF, 60 stopni | 2,0–8,0 mm/rok | Atak-linii spawalniczej | 2–8 miesięcy | Doskonały |
Szybkość korozji stali nierdzewnej 316L przy wytrawianiu mieszanym kwasem w porównaniu z przydatnością PTFE
Luka w zabezpieczeniach-linii spawu
Grzałki zanurzeniowe ze stali nierdzewnej są wykonane z połączeń spawanych-płaszcza-z-kołnierzem, osłony-z-końcówką, a czasami ze spoinami wzdłużnymi. Proces spawania zmienia strukturę metalurgiczną-strefy wpływu ciepła, tworząc obszary mniej odporne na korozję niż metal nieszlachetny.
W przypadku wytrawiania mieszanym kwasem linie spawów są pierwszymi obszarami, które ulegają uszkodzeniu. Strefa-narażona na ciepło może zawierać zmniejszoną zawartość chromu w wyniku wytrącania się węglika lub mogą występować naprężenia szczątkowe sprzyjające pękaniu. Jony fluoru i chlorku preferencyjnie atakują te osłabione obszary.
Grzałki zanurzeniowe z PTFE nie mają linii spawania w obszarze zwilżanym. Osłona jest wykonana z ciągłego wytłaczania lub formowania polimeru, a złącze kołnierzowe jest raczej uszczelnione mechanicznie lub klejone chemicznie niż spawane. Eliminuje to podatność-linii spoiny, która ogranicza żywotność stali nierdzewnej w agresywnych chemikaliach trawiących.
Przenikanie ciepła i wymiana rozmiaru-Offs
Stal nierdzewna 316L ma przewodność cieplną około 16 W/m·K-w przybliżeniu 64 razy wyższą niż PTFE. Grzejnik ze stali nierdzewnej może pracować z mocą 3–5 W/cm² bez przegrzania, podczas gdy grzejnik PTFE w większości kąpieli trawiących jest ograniczony do 1,0–1,5 W/cm².
Praktyczną konsekwencją jest rozmiar. Grzejnik ze stali nierdzewnej o mocy 6 kW może wymagać jedynie 1500 cm² powierzchni osłony, co mieści się w kompaktowym pakiecie. Grzejnik PTFE o mocy 6 kW i mocy 1,2 W/cm² wymaga 5000 cm²-więcej niż trzykrotność powierzchni. W zbiornikach z ograniczoną przestrzenią na grzejnik opcja ze stali nierdzewnej może pasować tam, gdzie nie można zastosować PTFE.
| Materiał grzejnika | Przewodność cieplna | Bezpieczna gęstość watów w mieszanym kwasie | Powierzchnia dla 6 kW | Względny ślad |
|---|---|---|---|---|
| Stal nierdzewna 316L | 16 W/m·K | 3–5 W/cm² | 1200–2000 cm² | Kompaktowy |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,0–1,2 W/cm² | 5 000–6 000 cm² | 3–4× większe |
| Tytan | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² (ograniczone przez HF) | 1500–3 000 cm² | Kompaktowy |
| PVDF | 0.20 W/m·K | 0,8–1,2 W/cm² | 5 000–7 500 cm² | Większy |
Porównanie wymiany ciepła i wielkości grzałek zanurzeniowych w procesie trawienia mieszanym kwasem
Kiedy stal nierdzewna nadal ma sens
Stal nierdzewna nie zawsze jest złym wyborem. W łagodnych roztworach trawiących-rozcieńczony kwas azotowy bez fluorków i chlorków – 316L sprawdza się dobrze i kosztuje mniej niż PTFE. W takich zastosowaniach zaletą jest większa gęstość mocy i niewielkie rozmiary stali nierdzewnej.
Punktem decyzyjnym jest obecność gatunków agresywnych. Jeśli kąpiel zawiera kwas fluorowodorowy, chlorki lub wysokie stężenia kwasów redukujących, zastosowanie stali nierdzewnej-jest krótkotrwałe. Jeśli kąpiel zawiera łagodny kwas utleniający, odpowiednia może być stal nierdzewna.
Porównanie kosztów całkowitych w czasie
Cena zakupu grzejnika 316L jest zazwyczaj o 40–60% niższa niż porównywalnego grzejnika PTFE. Ale w przypadku trawienia mieszanego kwasem grzejnik ze stali nierdzewnej może wytrzymać tylko 3–10 miesięcy, podczas gdy grzejnik PTFE wytrzymuje 3–5 lat.
W ciągu pięciu-lat opcja ze stali nierdzewnej wymaga 6–20 wymian, natomiast opcja z PTFE wymaga 1–2 wymian. Robocizna i przestoje związane z każdą wymianą,-opróżnianiem zbiornika, demontażem uszkodzonego grzejnika, instalacją nowego i-poprawną kwalifikacją wanny-znacznie zwiększają koszt wyboru stali nierdzewnej.
Kiedy standardowe grzejniki nie mieszczą się na wymaganej powierzchni
Zbiorniki do wytrawiania mieszanego kwasu z ograniczoną przestrzenią peryferyjną często nie są w stanie pomieścić standardowych grzałek zanurzeniowych z PTFE przy niskiej gęstości mocy wymaganej przez chemię. Przy obciążeniu 6 kW przy 1,0 W/cm² potrzeba 6000 cm² powierzchni płaszcza-więcej niż pojedyncza jednostka prosta lub w kształcie litery L-przy typowych wymiarach zbiornika.
Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE z wielo-przejściowym lub obwodowym-zgodnie z projektem rozprowadza powierzchnię grzewczą w całym zbiorniku, zachowując jednocześnie niską gęstość watów. Proces specyfikacji wymaga składu chemicznego kąpieli, temperatury roboczej, wymiarów zbiornika i wymaganej mocy. W przypadku obiektów obsługujących linie do wytrawiania mieszanym kwasem to-podejście specyficzne dla danego zastosowania zapewnia odporność chemiczną PTFE w konfiguracji dopasowanej do dostępnej przestrzeni.
