Pentru inginerii de procese chimice care operează încălzitoare electrice cu imersie în producția de îngrășăminte cu fosfat, băi de tratare a metalelor și echipamente de prelucrare a alimentelor care manipulează acid fosforic, selectarea oțelului inoxidabil 316 ca material de înveliș necesită o atenție deosebită atât rezistenței la coroziune, cât și performanței termice. Acidul fosforic este mai puțin agresiv decât acizii clorhidric sau sulfuric, dar la temperaturi ridicate de peste 80 de grade și concentrații de peste 10%, poate provoca un atac accelerat asupra oțelului inoxidabil 316, în special în zonele de sudură și zonele cu stres rezidual ridicat. Grosimea peretelui învelișului determină toleranța de coroziune disponibilă pe durata de viață a încălzitorului, dar relația este neliniară deoarece ratele de coroziune cresc adesea pe măsură ce peretele se subțiază și densitatea curentului local crește. Acest articol oferă o predicție cantitativă a duratei de viață pentru o manta de 1,2 mm 316 în acid fosforic 15% la 110 grade, pe baza datelor publicate despre coroziune și a experienței pe teren de la fabricile chimice.
Comportamentul la coroziune al oțelului inoxidabil 316 în acid fosforic fierbinte
În acidul fosforic la concentrații între 10% și 30% la temperaturi peste 80 de grade, oțelul inoxidabil 316 prezintă viteze generale de coroziune cuprinse între 0,1 și 0,5 mm pe an, în funcție de puritatea acidului, temperatură și viteza de curgere. Mecanismul de coroziune este în primul rând subțierea uniformă, mai degrabă decât pitting, deoarece acidul fosforic nu este puternic oxidant și nu conține cloruri care favorizează atacul localizat. Cu toate acestea, impuritățile din acidul fosforic de calitate-comercială-în special fluorurile, sulfații și clorurile din roca fosforică-pot accelera atacul și promova picking. Pentru acid fosforic 15% la 110 grade cu puritate industrială tipică, rata generală de coroziune de 316 este de aproximativ 0,25 mm pe an. Această rată presupune că temperatura suprafeței învelișului este în 5 grade față de temperatura acidului în vrac. În realitate, o manta de încălzire funcționează la o temperatură mai mare din cauza fluxului de căldură. Pentru un perete 316 de 1,2 mm care funcționează la 6 W/cm² în acid de 110 grade, temperatura suprafeței exterioare este de aproximativ 125 grade. La această temperatură, viteza de coroziune crește la aproximativ 0,35 mm pe an. Creșterea temperaturii din fluxul de căldură adaugă aproximativ 40% la rata de coroziune, în comparație doar cu temperatura acidului în vrac.
Calculul duratei de viață pentru o grosime de perete de 1,2 milimetri
O manta de 1,2 mm 316 incepe cu o grosime nominala de 1,2 mm, dar tolerantele de fabricatie de ±0,1 mm inseamna ca grosimea minima ar putea fi de 1,1 mm. Pentru calcularea duratei de viață, abordarea conservatoare utilizează grosimea minimă. Rata de coroziune de 0,35 mm pe an consumă 0,35 mm anual. Cu toate acestea, nu toată grosimea peretelui poate fi corodata înainte de defectare. Este necesară o grosime structurală minimă de 0,5 mm pentru a rezista la presiunea internă din expansiunea MgO și orice presiune externă a procesului. Aportul de coroziune utilizabil este prin urmare de 1,1 mm minus 0,5 mm este egal cu 0,6 mm. La 0,35 mm pe an, durata de viață calculată este 0,6 împărțită la 0,35 echivalând cu 1,7 ani. Acesta este timpul până când teaca atinge grosimea structurală minimă. În practică, încălzitoarele sunt adesea înlocuite atunci când grosimea rămasă a peretelui atinge 0,7–0,8 mm pentru a oferi o marjă de siguranță. La acel prag de înlocuire, durata de viață se reduce la aproximativ 1,2 ani. Pentru o durată de viață de cinci-ani, grosimea inițială a peretelui ar trebui să fie de 0,35 înmulțită cu 5 plus 0,5 marja structurală plus 0,1 toleranță este egală cu 2,35 mm-aproximativ 2,5 mm. Prin urmare, un perete 316 de 1,2 mm în acest serviciu este potrivit doar pentru aplicațiile în care înlocuirea anuală este acceptabilă.
Grosimea peretelui recomandată pentru serviciul cu acid fosforic
Următorul tabel oferă grosimi recomandate de 316 pereți de manta pentru încălzitoarele electrice cu imersie în funcționare cu acid fosforic, în funcție de concentrație, temperatură și durata de viață țintă. Valorile presupun acid de calitate comercială cu impurități tipice și o densitate în wați de 4–6 W/cm².
| Concentrația acidului fosforic | Temperatura acidului în vrac | Durată de viață țintă | Grosimea peretelui minim recomandată 316 | Rata de coroziune așteptată la suprafață | Durată de viață la grosimea recomandată |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 – 15% | 80 – 100 de grade | 2 ani | 1,2 mm | 0,20 – 0,30 mm/an | 1,5 – 2,5 ani |
| 10 – 15% | 80 – 100 de grade | 5 ani | 2,0 mm | 0,20 – 0,30 mm/an | 4 – 6 ani |
| 10 – 15% | 100 – 120 de grade | 2 ani | 1,6 mm | 0,30 – 0,45 mm/an | 2 – 3 ani |
| 10 – 15% | 100 – 120 de grade | 5 ani | 2,5 mm | 0,30 – 0,45 mm/an | 5 – 7 ani |
| 15 – 25% | 80 – 100 de grade | 2 ani | 1,6 mm | 0,25 – 0,40 mm/an | 2 – 3 ani |
| 15 – 25% | 80 – 100 de grade | 5 ani | 2,5 mm | 0,25 – 0,40 mm/an | 5 – 6 ani |
| 15 – 25% | 100 – 120 de grade | 1 an | 1,6 mm | 0,40 – 0,60 mm/an | 1 – 2 ani |
| 15 – 25% | 100 – 120 de grade | 3 ani | 2,5 mm | 0,40 – 0,60 mm/an | 3 – 4 ani |
| Peste 25% | Orice temperatură | Orice | Nerecomandat | Peste 0,60 mm/an | imprevizibil; utilizați un aliaj mai mare |
Pentru concentrații de acid fosforic de peste 25% la temperaturi de peste 100 de grade, oțelul inoxidabil 316 este, în general, nepotrivit, indiferent de grosimea peretelui. În aceste condiții, inginerii ar trebui să treacă la un aliaj cu-molibden, cum ar fi aliajul 20 (Carpenter 20) sau aliajul 625, care au rate de coroziune cu două ordine de mărime mai mici decât 316 în acid fosforic fierbinte.
Modificări de proiectare pentru a prelungi durata de viață fără creșterea grosimii peretelui
Atunci când o manta de 1,2 mm 316 trebuie utilizată în utilizarea acidului fosforic fierbinte din cauza constrângerilor de spațiu sau de răspuns termic, trei modificări de proiectare pot prelungi durata de viață peste cei 1,7 ani calculati. Prima este reducerea densității de wați. Funcționarea la 3 W/cm² în loc de 6 W/cm² reduce temperatura suprafeței tecii de la 125 de grade la aproximativ 116 de grade, scăzând viteza de coroziune de la 0,35 la aproximativ 0,22 mm pe an. Aceasta prelungește durata de viață de la 1,7 ani la 2,7 ani. A doua modificare este de a pasiva suprafața mantalei cu acid azotic 20% la 50 de grade timp de 60 de minute înainte de instalare. Pasivarea îndepărtează particulele de fier încorporate și îngroașă stratul de oxid de crom, reducând rata de coroziune inițială cu 20-30% în primele câteva luni de funcționare. A treia modificare este de a controla puritatea acidului. Dacă fluorurile pot fi menținute sub 50 ppm și clorurile sub 100 ppm, viteza de coroziune poate scădea la 0,15–0,20 mm pe an, prelungind durata de viață la 3–4 ani. Pentru aplicațiile critice în care defecțiunea neplanificată a încălzitorului ar cauza pierderi semnificative de producție, inginerii ar trebui să instaleze un încălzitor de rezervă sau să proiecteze rezervorul cu încălzitoare duble, astfel încât unul să poată fi înlocuit în timp ce celălalt să mențină temperatura. Costul unui încălzitor de rezervă este modest în comparație cu costul unei opriri neplanificate în producția chimică continuă. Când specificați încălzitoare pentru serviciul cu acid fosforic, solicitați întotdeauna testarea cuponului de coroziune folosind acidul real din fluxul de proces. Datele publicate oferă estimări, dar puritatea acidului-reală variază semnificativ între fabrici și chiar între loturile de producție. Un test cupon de trei-luni folosind o probă de 1,2 mm 316 scufundată în acidul procesului la temperatura preconizată a învelișului este cel mai fiabil predictor al duratei de viață. Costul acestui test este de obicei mai mic decât costul unui încălzitor eșuat.
