عند أي مزيج محدد من تركيز المادة الكاوية ودرجة حرارة سطح الغلاف يتحول غمد من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاس 1.6 ملم 316 من التآكل السلبي إلى التآكل النشط في خدمة هيدروكسيد الصوديوم لأنظمة التنظيف والتنظيف المكاني؟

يستخدم مهندسو العمليات الذين يصممون سخانات غاطسة كهربائية لأنظمة التنظيف-المكانية- المستخدمة في معالجة الأغذية وتصنيع الأدوية وإنتاج المشروبات، هيدروكسيد الصوديوم باعتباره مادة التنظيف الكيميائية الرئيسية. تتكون محاليل CIP النموذجية من 1-3% NaOH عند 70-85 درجة. في هذه الحالة، يتشكل الفيلم السلبي، وبشكل عام، تكون مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ 316 جيدة. ومع ذلك، عند التركيزات الأعلى أو درجات حرارة السطح الأعلى من كثافة واط السخان، يمكن أن يتحلل الفيلم السلبي ويمكن أن يحدث التآكل النشط بمعدلات تتجاوز 1 ملليمتر في السنة. تبلغ سماكة الجدار النموذجية لسخانات CIP 1.6 مم، مما يوفر حلاً وسطًا معقولًا بين بدل التآكل والاستجابة الحرارية. تحدد الورقة تركيز المادة الكاوية ودرجة حرارة سطح الغمد حيث يتغير غمد 1.6 مم 316 من التآكل السلبي إلى التآكل النشط في خدمة هيدروكسيد الصوديوم.

316 التحول في هيدروكسيد الصوديوم من السلبي إلى النشط
يعتبر هيدروكسيد الصوديوم فريدًا بين المحاليل القلوية حيث أن سلوك التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ 316 يُظهر انتقالًا سلبيًا واضحًا -نشطًا يعتمد على كل من التركيز ودرجة الحرارة. في المحاليل المخففة التي تقل عن 5% NaOH ودرجات الحرارة أقل من 80 درجة مئوية، يبقى 316 سلبيًا مع معدلات تآكل أقل من 0.05 مم سنويًا. مع زيادة التركيز أو زيادة درجة الحرارة، يصبح الفيلم السلبي غير مستقر. عند 10% NaOH تكون درجة الحرارة الانتقالية حوالي 90 درجة. تنخفض إلى 75C 20% NaOH. عند 30% NaOH تنخفض القيمة إلى 60 درجة. عند 50% NaOH، أكثر من 40 درجة يختفي النطاق السلبي تمامًا. عادة ما تكون درجة حرارة سطح الغلاف أعلى بمقدار 15-30 درجة من درجة حرارة المحلول السائب للسخان الغاطس بسبب كثافة الواط المطبقة. يوفر نظام CIP الذي يحتوي على 3% NaOH ودرجة حرارة كتلة 80 درجة مع سخان 8 وات/سم² درجة حرارة سطح الغلاف تتراوح من 95-105 درجة. يمكن أن يتحلل الطلاء السلبي الموجود في 316 عند درجة حرارة السطح هذه ويحدث التآكل النشط بمعدل 0.5-2 ملم سنويًا. سيؤدي التآكل النشط إلى ثقب غلاف مقاس 1.6 مم خلال 1-3 سنوات، إلا أن التشغيل السلبي سيعطي 10+ سنة من الخدمة.

عتبات التحول الحرجة لغمد 1.6 ملم
أظهر الاختبار الكهروكيميائي لـ 316 عينة في محاليل هيدروكسيد الصوديوم في درجات الحرارة المرتبطة بخدمة التنظيف المكاني (CIP) أن المجموعات التالية من تركيز المادة الكاوية الكبيرة ودرجة حرارة سطح الغلاف ستتسبب في الانتقال السلبي - إلى - النشط لجدار يبلغ سمكه 1.6 مم. القيم مخصصة لتلميع الأسطح المتأرجح القياسي وكثافة واط نموذجية تبلغ 6-8 واط/سم².

تركيز هيدروكسيد الصوديوم (الوزن٪) درجة حرارة الانتقال السلبية إلى النشطة الحد الأدنى لدرجة حرارة سطح الغلاف للتآكل النشط درجة حرارة السائبة الآمنة لغلاف 1.6 مم عند 8 وات / سم 2 (ارتفاع 25 درجة) معدل التآكل المتوقع في النظام النشط
1 – 2% >100 درجة 100 درجة 75 درجة 0.3 - 0.7 ملم / سنة
2 – 3% 95 – 100 درجة 95 – 100 درجة حتى 70 – 75 درجة 0.5 – 1.0 ملم/السنة
3 – 5% 85 – 95 درجة 85 – 95 درجة حتى 60 – 70 درجة 0.8 – 1.5 ملم/السنة
5 – 7% 75 – 85 درجة 75 – 85 درجة حتى 50 – 60 درجة 1.0 – 2.0 ملم/ سنة
7 – 10% 65 – 75 درجة 65 – 75 درجة حتى 40 – 50 درجة 1.5 – 3.0 ملم/السنة
10 – 15% 55 – 65 درجة 55 – 65 درجة حتى 30 – 40 درجة 2.0 – 4.0 ملم/السنة
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3.0 ملم/ سنة
بالنسبة لنظام CIP بدرجة حرارة مجمعة تبلغ 80 درجة و2% NaOH باستخدام غمد 1.6 مم عند 8 وات/سم2، تكون درجة حرارة سطح الغمد حوالي 105 درجة، أعلى من عتبة الانتقال البالغة 100 درجة. سوف يحدث تآكل نشط وقد ينثقب الغلاف خلال سنة أو سنتين. يؤدي خفض كثافة الواط إلى 4 وات/سم² إلى تقليل ارتفاع درجة حرارة السطح إلى 12-15 درجة بينما تظل درجة حرارة الغلاف عند 92-95 درجة، وهي أقل من عتبة 100 درجة. يسمح هذا التغيير بفترة خدمة تتراوح من 5 إلى 10 سنوات.

غلاف تشغيل آمن بغمد 1.6 ملم في خدمة التنظيف والتنظيف المكاني الكاوية
يوضح الجدول التالي الحد الأقصى المسموح به لتركيز هيدروكسيد الصوديوم السائب لغمد 1.6 مم 316 عند درجات حرارة كبيرة وكثافات وات مختلفة. بالنسبة لقيم تركيز معينة، يتم الحفاظ على درجة حرارة سطح الغلاف على الأقل 5 درجات تحت درجة الحرارة الانتقالية السلبية - إلى - درجة الحرارة الانتقالية النشطة.

درجة حرارة المحلول السائب كثافة واط 4 واط/سم2 (زيادة 12 درجة) كثافة واط 6 واط/سم2 (ارتفاع 18 درجة) كثافة واط 8 واط/سم2 (ارتفاع 25 درجة) كثافة واط 10 واط/سم2 (ارتفاع 32 درجة) 60 درجة آمن حتى 10% هيدروكسيد الصوديوم آمن حتى 7% هيدروكسيد الصوديوم آمن حتى 5% هيدروكسيد الصوديوم آمن حتى 3% هيدروكسيد الصوديوم 65 درجة آمن حتى 8% نسبة NaOH آمنة حتى 5 NaOH آمنة حتى 3% NaOH آمنة حتى 2% NaOH 70 درجة آمنة حتى 6% NaOH آمنة حتى 4% NaOH آمنة حتى 2% NaOH غير آمنة أكثر من 1% 75 درجة مئوية غير آمنة فوق 5% NaOH بحد أقصى 3%، آمنة NaOH آمنة حتى 1.5% NaOH غير آمنة فوق 1% 80 درجة آمنة حتى 4% NaOH آمنة حتى 2% NaOH غير آمنة فوق 1.5% غير آمن 85 درجة آمن حتى 3% NaOH ما يصل إلى 1.5% NaOH آمن غير آمن غير آمن
90 درجة آمن حتى 2% NaOHغير آمن فوق 1% غير آمن غير آمن
بالنسبة لدورة التنظيف المكاني (CIP) النموذجية عند 80 درجة مع 2% NaOH، يكون الغلاف 1.6 مم 316 آمنًا فقط عند كثافات واط تبلغ 4 وات/سم2 أو أقل. عند كثافة واط صناعية تبلغ 8 وات/سم²، سيكون السخان في نظام التآكل النشط ويجب توقع عمر خدمة مقيد يتراوح بين 1-3 سنوات بدلاً من 5-10 سنوات المفترضة غالبًا.

تغييرات تصميم العملية السلبية
يمكن إجراء ثلاثة تعديلات على التصميم للحفاظ على التشغيل السلبي دون تغيير مادة الغلاف في ظل ظروف عملية التنظيف المكاني (CIP) التي قد تؤدي إلى تآكل نشط للغلاف 316 مقاس 1.6 مم (على سبيل المثال، تركيزات المواد الكاوية أو درجات الحرارة): الطريقة الأولى هي زيادة الطول الساخن للعنصر لتقليل كثافة الواط. يؤدي مضاعفة الطول (1 م إلى 2 م) إلى تقليل ارتفاع درجة حرارة سطح الغمد من 25 درجة إلى 12 درجة ويعود إلى الأداء السلبي عندما يتم تقليل كثافة الواط من 8 وات/سم2 إلى 4 وات/سم2 . التعديل الثاني هو تحسين الدورة الدموية على سطح السخان. وبنفس كثافة الواط، يمكن تقليل ارتفاع درجة حرارة السطح إلى 8-10 درجات بسرعة 2-3 م/ث باستخدام مضخة دوران CIP. التغيير النهائي هو إضافة مثبط التآكل إلى محلول الكاوية. يمكن للسيليكات أو الفوسفات عند 100 إلى 200 جزء في المليون تثبيت الفيلم السلبي على 316 وزيادة درجة حرارة التحول بمقدار 10 إلى 20 درجة. لكن هذه التغييرات ربما لن تكون كافية لأنظمة التنظيف المكاني (CIP) التي تتطلب 5% من NaOH عند درجة حرارة 80 درجة مئوية. في هذه الحالات، يجب على المهندس تحديد استخدام سبيكة أساسها النيكل- مثل سبيكة 600 أو سبيكة 825، والتي تكون سلبية في المحاليل الكاوية بتركيز يصل إلى 50% عند درجات حرارة تزيد عن 100 درجة. عادةً ما تكون تكلفة الترقية من 316 إلى Alloy 825 أكبر بمقدار 2-3 مرات، ولكن يزيد عمر الخدمة من 1-2 سنة إلى 10-15 سنة. أخبر المورد دائمًا عند تحديد سخانات لخدمة التنظيف المكاني: الحد الأقصى لتركيز المادة الكاوية، ودرجة الحرارة الإجمالية، ووقت الدورة المتوقع. عندما تقترح الشركة المصنعة 316 لـ 5% NaOH عند 85 درجة مئوية دون أي اعتبار للانتقال السلبي النشط أو تخفيض كثافة الواط، فهذه ليست نصيحة فنية مناسبة. يكون التغير من التآكل السلبي إلى التآكل النشط في هيدروكسيد الصوديوم مفاجئًا ويعتمد على درجة الحرارة. قد يستمر غمد 316 بسمك 1.6 مم والذي يعمل أسفل العتبة مباشرة لمدة عشر سنوات؛ وقد يفشل أحدها الذي يعمل بعد ذلك مباشرة خلال 18 شهرًا. يعد التحليل الحراري الدقيق لدرجة حرارة سطح الغمد ضروريًا للحصول على مواصفات موثوقة.