عند أي عتبة حرجة لتركيز حمض الكبريتيك ودرجة الحرارة، يصبح غمد الفولاذ المقاوم للصدأ مقاس 1.6 ملم 316 غير آمن للتسخين المستمر بالغمر فوق 15 وات لكل سنتيمتر مربع؟

يحتاج مهندسو العمليات الكيميائية الذين يصممون سخانات غاطسة كهربائية لخدمة حمض الكبريتيك في خطوط تخليل المعادن وتصنيع البطاريات ومفاعلات التخليق الكيميائي إلى معرفة حدود درجة الحرارة التركيزية- التي يحدث عندها انهيار الغشاء السلبي بدقة، إذا أرادوا اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ 316 كمادة غمد. من بين الأحماض المعدنية، تبين أن حمض الكبريتيك فقط هو الذي يسبب التآكل الأقصى للفولاذ المقاوم للصدأ 316 عند التركيزات المتوسطة (40-60%) وينخفض ​​عند التركيزات المنخفضة والعالية. يوفر المعيار النموذجي الذي يبلغ سمك الجدار 1.6 مم حلاً وسطًا بين نقل الحرارة العملي والمتانة الميكانيكية. لكن التشغيل فوق المزيج الحاسم من التركيز ودرجة الحرارة وكثافة الواط يمكن أن يؤدي إلى تآكل نشط سريع، مما يقلل من عمر الغلاف من سنوات إلى أسابيع. في هذا البحث، الحدود الدقيقة للغمد 1.6 مم 316، وهو غير آمن للتسخين المستمر بالغمر عند كثافات طاقة تزيد عن 15 وات/سم2 .

التحول من السلبية إلى النشاط في 316 التعرض لحمض الكبريتيك
تعتمد مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ 316 في حامض الكبريتيك على ثبات طلاء أكسيد الكروم السلبي. تكون الطبقة السلبية مستقرة في حامض الكبريتيك المخفف بتركيزات أقل من 15% حتى 60 درجة، ومعدلات التآكل أقل من 0.1 ملم في السنة. عند زيادة التركيز إلى 40-60%، يهيمن الميل الاختزالي للحمض على الفيلم السلبي ويحدث تحول إلى التآكل النشط بمعدلات 5-20 ملم سنويًا. عند التركيزات التي تزيد عن 70%، يتأكسد حمض الكبريتيك مرة أخرى، مما يؤدي إلى إعادة تنشيط سطح 316 وتقليل معدلات التآكل إلى أقل من 0.5 مم/سنة. عادة ما تكون درجة حرارة سطح الغلاف 20-50 درجة أعلى من درجة حرارة الحمض السائب بسبب تدفق الحرارة للسخان الغاطس. يمكن أن تكون درجة حرارة سطح الغلاف لمسخن 15 وات/سم^2 في حمض سائب بدرجة 50 درجة 80-90 درجة. وينتج عن هذا ارتفاع درجة حرارة السطح وتحول الانتقال من السلبي إلى النشط إلى تركيزات أقل. يمكن أن يكون تركيز الحمض السائب بنسبة 30% الآمن عند درجة حرارة 50 درجة مئوية عدوانيًا على سطح الغلاف إذا تجاوزت درجة الحرارة المحلية 70 درجة مئوية. وبالتالي، يتم تحديد نافذة العمل الآمنة لغلاف 316 مقاس 1.6 مم من خلال أعلى درجة حرارة للسطح، وليس درجة حرارة الحمض السائب.

العتبات الحرجة لجدار 1.6 ملم عند 15 وات لكل سنتيمتر مربع
يؤدي اختبار التآكل التجريبي على 316 عينة مع طلاء سطحي نموذجي لأغلفة السخان المتأرجحة (0.5 إلى 0.8 ميكرون Ra) إلى الحصول على العتبات الأساسية التالية لبدء التآكل النشط. يبلغ التركيز الحرج لحمض الكبريتيك لتكسير الغشاء السلبي حوالي 55% عند درجة حرارة السطح 60 درجة. يتم تقليل التركيز الحرج إلى 48% عند درجة حرارة السطح 70 درجة. عند 80 درجة، تنخفض العتبة إلى 42%. عند 90 درجة تكون 38%. عند 100 درجة تنخفض إلى 32%. بالنسبة لغلاف جدار 1.6 مم عند 15 وات/سم2، فإن ارتفاع درجة الحرارة من الحمض السائب إلى سطح الغلاف يبلغ حوالي 25-30 درجة في الحمض المنتشر بشكل طبيعي. يكون الحمض السائب عند 50 درجة وسطح الغلاف عند 75-80 درجة. ولذلك فإن التركيز الحرج هو حوالي 40٪. إذا كان تركيز الحمض السائب أعلى من 40% عند درجة الحرارة هذه، فسيبدأ التآكل النشط خلال أيام. بمجرد بدء التآكل النشط، يكون معدل التآكل عادةً 5-15 مم/سنة، وبالتالي فإن الغلاف الذي يبلغ سمكه 1.6 مم سوف ينثقب خلال 1-4 أشهر. تحت التركيز الحرج، عند نفس درجة حرارة السطح، يكون معدل التآكل أقل من 0.2 مم/سنة، مما يسمح بعمر خدمة يصل إلى 5-8 سنوات. إنه تحول مفاجئ، وليس تدريجيًا. إن التغير بنسبة 2-3% في التركيز أو 5 درجات في درجة الحرارة يمكن أن يعني الفرق بين سنوات التشغيل والفشل الكارثي في ​​غضون أسابيع.

غلاف 1.6 مم 316 من حمض الكبريتيك - مظروف تشغيل آمن
يصف الجدول التالي غلاف التشغيل الآمن لغلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاس 1.6 مم 316 بكثافة وات تبلغ 15 وات/سم 2 . تمثل القيم مجموعات من تركيز الحمض السائب ودرجة الحرارة التي تكون درجة حرارة سطح الغلاف فيها أقل من درجة حرارة الانتقال السلبية من - إلى - درجة الحرارة الانتقالية النشطة.

الحد الأقصى لدرجة الحرارة الآمنة للغلاف 1.6 مم عند تركيز 15 وات/سم2 من حمض الكبريتيك درجة حرارة سطح الغمد عند أقصى حجم آمن معدل التآكل المقدر العمر المتوقع عند 1.6 مم 0 – 10% 95 درجة 120 – 125 درجة 0.08 – 0.15 مم/سنة 8 – 12 سنة 10 – 20% 90 درجة 115 – 120 درجة 0.10 - 0.20 مم / سنة 6 - 10 سنوات 20 - 30٪ 80 درجة 105 - 110 درجة 0.15 - 0.30 مم / سنة 4 - 8 سنوات 30 - 35٪ 65 درجة 90 - 95 درجة 0.20 - 0.40 مم / سنة 3 - 5 سنوات 50 درجة 75 - 80 الدرجة 0.30 – 0.60 ملم/ سنة 2 – 4 سنوات 40 – 45% غير آمن في أي درجة حرارة أكثر من 65 درجة التآكل النشط > 5 ملم/ سنة أسابيع إلى أشهر
45 – 60% غير آمن في أي درجة حرارة أي تآكل نشط > 10 ملم/سنة أيام إلى أسابيع
60 – 70% 50 درجة 75 – 80 درجة 0.50 – 1.00 مم/ سنة 1 – 2 سنة (انتقالية) 80 درجة 105 – 110 درجة 0.20 – 0.40 مم/ سنة 3 – 5 سنوات (إعادة - تخميل)
80 – 93% 100 درجة 125 – 130 درجة 0.10 – 0.20 ملم/ سنة 6 – 10 سنوات
أكثر من 93% 120 درجة 145 – 150 درجة 0.05 – 0.10 ملم/ سنة 10 – 15 سنة
بالنسبة لتركيزات الأحماض السائبة من 40 إلى 60%، لن يوفر أي مزيج من درجة حرارة الكتلة وكثافة الواط غمدًا آمنًا مقاس 1.6 مم 316 للخدمة المستمرة. الفيلم السلبي غير مستقر عند أي درجة حرارة أعلى من 30 درجة، ودرجة الحرارة المرتفعة على سطح الغلاف الناتجة عن تدفق الحرارة تضمن التآكل النشط. في نطاق التركيز هذا، يحتاج المهندسون إلى تحديد سبيكة أكثر مقاومة للتآكل مثل سبيكة 20 (كاربنتر 20) أو سبيكة 825، أو استخدام تقنية تسخين غير معدنية مثل الجرافيت أو السخان الغاطس من كربيد السيليكون. على سبيل المثال، 38% من حمض الكبريتيك عند درجة حرارة 55 درجة مئوية، عند حافة الغلاف الآمن، يمكن أن يؤدي اضطراب بسيط في العملية إلى دفع الغلاف إلى المنطقة النشطة. يجب على المهندسين تطبيق هامش أمان لا يقل عن 5 درجات تحت الحد الأقصى لدرجة الحرارة الآمنة كما هو محدد في الجدول.

تعديلات التصميم لتوسيع نطاق التشغيل الآمن
عندما تقترب ظروف العملية من العتبات الحرجة للغلاف 316 مقاس 1.6 مم، يمكن لثلاثة تعديلات في التصميم توسيع بيئة التشغيل الآمنة دون تغيير مادة الغلاف. الأول هو تقليل كثافة الواط. إذا عملنا عند 8 وات/سم² بدلاً من 15 وات/سم²، فإن درجة حرارة سطح الغلاف تنخفض بنحو 15-20 درجة. يكون السخان خطيرًا عند تركيز 15 وات/سم2 في 38% من حمض الكبريتيك عند 60 درجة (درجة حرارة السطح 85-90 درجة) وآمن عند 8 وات/سم2 (درجة حرارة السطح 70-75 درجة). المقايضة هي طول أو قطر السخان الأكبر. التعديل الثاني هو زيادة تدفق الحمض عبر سطح الغمد. يؤدي الدوران القسري بواسطة المضخة أو المحرض إلى رفع معامل انتقال الحرارة من 200 – 500 وات/ م 2 كلفن في الحمل الحراري الطبيعي إلى 1000 – 2000 وات/ م 2 كلفن في التدفق المضطرب، مما يخفض ارتفاع درجة حرارة السطح بنسبة 40 – 60٪. وبالتالي فإن السخان الذي ينتج ارتفاعًا بمقدار 30 درجة مئوية في الحمض الراكد قد ينتج ارتفاعًا قدره 12 درجة مئوية فقط في الحمض المتداول بشكل جيد، ويحافظ على سطح الغلاف تحت المستوى الحرج. التغيير الثالث هو إضافة عامل مؤكسد إلى الحمض. يمكن تحويل الانتقال من الحالة السلبية إلى الحالة النشطة إلى درجات حرارة وتركيزات أعلى عن طريق الحفاظ على قدرة أكسدة المحلول عن طريق تركيز صغير (0.1-0.5%) من حمض النيتريك أو بيروكسيد الهيدروجين. لكن هذا ليس ممكنًا دائمًا بسبب قيود العملية. في التركيبات الحرجة حيث قد يؤدي فشل السخان غير المتوقع إلى خسائر كبيرة في الإنتاج، يجب على المهندسين تركيب مسبار لمراقبة التآكل - قسيمة صغيرة 316 متصلة إلكترونيًا بغمد السخان. تشير الزيادة المفاجئة في التيار الجلفاني بين المسبار والقطب المرجعي إلى انهيار مبكر للفيلم السلبي وتسمح للمشغل بتقليل الطاقة أو تغيير المحتوى الحمضي لتجنب تلف الغلاف. عند تحديد سخانات لخدمة حمض الكبريتيك، اذكر دائمًا للمورد التركيز بالجملة ونطاق درجة الحرارة المتوقعة واطلب درجة حرارة سطح الغمد المحسوبة لكثافة الواط المقترحة وسمك الجدار. إذا لم تتمكن الشركة المصنعة من إجراء هذه العملية الحسابية، فلا تثق بها في التطبيق. أحيانًا يكون الفرق بين التشغيل الآمن والفشل الكارثي في ​​حامض الكبريتيك أقل من 10 درجات من درجة حرارة سطح الغلاف، كما أن التحليل الحراري الدقيق مهم لمواصفات السخان التي يمكن الاعتماد عليها.