في أي مزيج محدد من تركيز حامض الكبريتيك ودرجة الحرارة يتطلب غمد من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 مقاس 2.0 ملم تخفيض طاقة أقل من 8 وات لكل سنتيمتر مربع لمنع اختراق التآكل العام خلال ستة أشهر في حمامات تخليل المعادن؟

يواجه مهندسو العمليات الذين يقومون ببناء سخانات غاطسة كهربائية لحمامات تخليل المعادن في مصانع الصلب وصناعات تصنيع المعادن واحدة من أقسى الظروف بالنسبة لأغلفة الفولاذ المقاوم للصدأ 316 عندما يواجهون حمض الكبريتيك في درجات حرارة شديدة. يتم تشغيل حمامات التخليل عادةً عند درجات حرارة تتراوح من 60 إلى 90 درجة وتركيزات حمض الكبريتيك من 10 إلى 25%، غالبًا مع أملاح الحديد الذائبة، مما يزيد من تعقيد سلوك التآكل. غالبًا ما يتم اختيار سمك جدار يبلغ 2.0 مم للسماح بالتآكل ولإضفاء مرونة ميكانيكية على اضطراب الحمام والتلامس مع قطعة العمل. ومع ذلك، عند متوسط ​​كثافات واط 8-12 وات/سم2، ترتفع درجة حرارة سطح الغلاف بمقدار 20-40 درجة فوق درجة حرارة الحمام السائب، وربما يتم وضع الغلاف في نظام التآكل النشط حيث تتجاوز معدلات التآكل 5 مم سنويًا. توفر هذه المقالة مجموعات معينة من التركيز ودرجة الحرارة التي تتطلب تخفيض سماكة الغلاف 316 مقاس 2.0 مم إلى أقل من 8 وات/سم2 لتجنب اختراق التآكل بشكل عام خلال ستة أشهر.

الانتقال السلبي-النشط للفولاذ المقاوم للصدأ 316 في حمض الكبريتيك
كما ورد في الأبحاث السابقة، فإن الانتقال السلبي-النشط للفولاذ المقاوم للصدأ 316 في حامض الكبريتيك حساس تمامًا لكل من درجة الحرارة والتركيز. في النظام السلبي تكون معدلات التآكل أقل من 0.2 ملم في السنة. في النظام النشط تبلغ المعدلات 5-20 ملم في السنة. تتبع الحدود الانتقالية لظروف حمام التخليل منحنى معين. درجة الحرارة الانتقالية لمدة 10 في المائة. حمض الكبريتيك حوالي 55 درجة مئوية. عند 15% يكون التحول 45 درجة. عند 20% تنخفض إلى 38 درجة. تصل إلى 32 درجة . - 25%. بالنسبة للسخان الموجود في حمام ضخم عند درجة حرارة 70 درجة مع حمض الكبريتيك 15%، فإن حالة المادة السائبة وحدها تتجاوز بالفعل درجة الحرارة الانتقالية البالغة 45 درجة - الحمام متآكل بشكل فعال إلى 316 مع عدم وجود تدفق حراري . 316 غير مناسب في هذه الظروف بغض النظر عن سمك الجدار أو كثافة الواط. ومع ذلك، يتم تشغيل العديد من حمامات التخليل في المنطقة الانتقالية حيث تكون الظروف السائبة سلبية ولكن درجة حرارة سطح الغلاف يتم دفعها إلى النظام النشط بواسطة التدفق الحراري العالي. بالنسبة لسمك الغلاف 2.0 مم عند 8 وات/سم2 فإن ارتفاع درجة الحرارة من الكتلة إلى سطح الغلاف يكون حوالي 20-25 درجة. يكون الحمام السائب عند 40 درجة مع 15% حمض (سلبي) وبالتالي فإن درجة حرارة سطح الغلاف تكون 60-65 درجة وهي أعلى من 45 درجة لذلك يحدث التآكل الانتقالي النشط على سطح الغمد حتى لو كان الحمام السائب سلبيًا.

عتبات التخفيض الحرجة لغمد 2.0 مم
أدى اختبار التآكل لـ 316 عينة عند درجات حرارة وتركيزات ذات أهمية لحمامات التخليل إلى إنتاج متطلبات تخفيض التآكل التالية لغلاف جدار بقطر 2.0 مم لمنع اختراق التآكل بشكل عام خلال ستة أشهر. تمثل القيم الحد الأقصى لكثافة الواط التي تحافظ على درجة حرارة سطح الغلاف بما لا يقل عن 5 درجات تحت درجة حرارة الانتقال النشطة -السالبة للتركيز الحجمي المعين.

تركيز حامض الكبريتيك السائب درجة حرارة الحمام السائبة السلبية -درجة الحرارة الانتقالية النشطة عند هذا التركيز أقصى درجة حرارة لسطح الغلاف (الانتقال - هامش أمان 5 درجات) الحد الأقصى لكثافة الواط المسموح بها لغلاف 2.0 مم الوقت المتوقع لاختراق 2.0 مم مع كثافة كهربائية أعلى
10% 35 درجة 55 درجة 50 درجة 12 واط/سم2 8-12 شهر عند 12 واط/سم2 10% 40 درجة 55 درجة 50 درجة 8 واط/سم2 6-9 شهر عند 8 واط/سم2
10% 45 درجة 55 درجة 50 درجة 4 واط/سم2 4-6 أشهر عند 8 واط/سم2 10% 50 درجة 55 درجة 50 درجة 0 واط/سم2 (غير ممكن) 2-4 أشهر بأي كثافة واط
30 درجة 45 درجة 40 درجة 15% 10 واط/سم² 6-10 أشهر عند 10 واط/سم²
15% 35 درجة 45 درجة 40 درجة 6 واط/سم² 4-6 أشهر عند 8 واط/سم²
15% 40 درجة 45 درجة 40 درجة 2 وات/سم2 3-5 أشهر 6 وات/سم2
15% >42 درجة 45 درجة 40 درجة غير ممكن 2-3 أشهر 20% 25 درجة 38 درجة 33 درجة 8 وات/سم 2 5-8 أشهر عند 8 وات/سم2
20% 30 درجة مئوية 38 درجة مئوية 33 درجة مئوية 4 وات/سم2 3-5 أشهر إلى 6 وات/سم2
20% 35 درجة 38 درجة 33 درجة 0 واط/سم² (غير ممكن) 2-3 أشهر 25%< 25°C < 32°C < 27°C < 4 W/cm2 2-4 months at 5 W/cm2
بالنسبة لحمام تخليل نموذجي عند درجة حرارة كتلة 40 درجة عند 15% حمض كبريتيك، يجب أن يعمل غلاف 2.0 مم 316 عند أو أقل من 2 وات/سم2 للحفاظ على سطح الغلاف أقل من 40 درجة وسالبًا. عند 8 واط/سم2، تبلغ درجة حرارة سطح الغلاف حوالي 60-65 درجة مئوية، بعيدًا عن النظام النشط وسيأكل التآكل العام من خلال الجدار الذي يبلغ سمكه 2.0 مم في حوالي 3-5 أشهر. يؤدي التخفيض إلى 6 وات/سم² إلى إطالة العمر إلى 4-6 أشهر ولكن أقل من 6 أشهر. يوفر الخفض إلى 4 وات/سم2 تشغيلًا سلبيًا وعمرًا افتراضيًا يبلغ 5+ عامًا، ولكن نادرًا ما تكون كثافة الواط المنخفضة هذه عملية لحمامات التخليل الصناعية.

مظروف التشغيل الآمن - مدة الخدمة ستة أشهر
يسرد الجدول أدناه الحد الأقصى الآمن لتركيز حمض الكبريتيك السائب ومجموعات درجات الحرارة لغلاف 316 مقاس 2.0 مم لتوفير فترة خدمة مدتها ستة أشهر عند كثافات وات مختلفة دون اختراق نشط للتآكل.

واط الكثافة الحد الأقصى لدرجة الحرارة السائبة 10% H2SO4 الحد الأقصى لدرجة الحرارة السائبة 15% H2SO4 الحد الأقصى لدرجة الحرارة السائبة 20% H2SO4 الحد الأقصى لدرجة الحرارة السائبة 25% H2SO 4 4 W/cm 2 48 درجة 38 درجة 30 درجة 25 درجة 6 واط / سم 2 46 درجة 35 درجة 28 درجة 22 درجة 8 عرض/سم2 43 درجة 32 درجة 25 درجة غير آمن 10 و/سم2 40 درجة 28 درجة غير آمن غير آمن
12 وات/سم2 36 درجة غير آمن غير آمن غير آمن
سيكون للغمد 2.0 مم 316 عند 8 وات/سم2 درجة حرارة سطح تبلغ حوالي 58 درجة، فوق انتقال 45 درجة، لحمام تخليل يعمل عند 15% حمض كبريتيك ودرجة حرارة كتلة 35 درجة. ربما لن يستمر ستة أشهر. كثافة واط تبلغ 4 واط/سم^2 تحافظ على السطح عند حوالي 48 درجة، أعلى من درجة الحرارة الانتقالية البالغة 45 درجة، لكن انخفاض معدل تدفق الحرارة يبطئ معدل التآكل بدرجة كافية للحصول على ستة أشهر قبل الاختراق. عند كتلة 45 درجة وحمض كبريتيك 10%، 4 وات/سم² يعطي درجة حرارة سطح تبلغ حوالي 58 درجة، وهي أعلى من درجة الحرارة الانتقالية البالغة 55 درجة، ويكون عمر الستة أشهر هامشيًا.

تغييرات التصميم لتحقيق عمر ستة أشهر دون تخفيض
إذا كانت ظروف حمام التخليل تتطلب كثافات وات أعلى مما هو مسموح به للتشغيل الآمن، فإن ثلاثة تعديلات على التصميم ستوفر فترة خدمة مدتها ستة -أشهر مع غمد 316 مقاس 2.0 مم بدون تخفيض أقل من 8 وات/سم2. الأول هو تحسين تداول الحمض عبر سطح المدفأة. التدفق المضطرب بسرعة 1-2 م/ث. يقلل من نمو درجة حرارة سطح الغمد من 25 درجة إلى 10-15 درجة بنفس كثافة الواط. قد يعمل السخان الذي تبلغ درجة حرارة سطحه 65 درجة في ظل ظروف راكدة عند 50 درجة في حمض متداول جيدًا، وقد ينخفض ​​بالفعل إلى ما دون عتبة الانتقال. التغيير الثاني هو إدخال مانع التآكل في حمام التخليل. يمكن للمثبطات التجارية أن تقلل معدلات التآكل النشط بنسبة 70-90% ويمكن أن تمد النظام السلبي إلى درجات حرارة أعلى. التعديل النهائي هو استخدام تصميم سخان مزدوج الكثافة مع كثافة طاقة منخفضة في الجزء السفلي من الحمام حيث تكون درجات الحرارة أعلى من التقسيم الطبقي. أفضل إجابة هندسية هي الترقية من 316 إلى سبيكة أكثر مقاومة مثل سبيكة 20 أو سبيكة 825 لمعظم تطبيقات حمام التخليل. عادة، يكون فرق التكلفة بين غلاف 2.0 مم 316 وغلاف سبيكة 20 من نفس الحجم هو 30-50%، ولكن عمر الخدمة في 15-20% من حمض الكبريتيك عند 50-60 درجة يزيد من 3-6 أشهر إلى 3-5 سنوات. عند اختيار السخانات لحمامات التخليل، يجب على المهندس تقديم المشورة للمورد فيما يتعلق بالتركيب الدقيق للحمام، ونطاق درجة الحرارة ودرجة الاضطراب المتوقعة. إذا كانت الشركة المصنعة توصي بـ 316 لحمض الكبريتيك بنسبة 15% عند درجة حرارة 50 ولم تتحدث عن خفض القدرة أو إمكانية التآكل النشط، فإنها لا تقدم نصيحة مختصة. إن التحول من التآكل السلبي إلى التآكل النشط في حامض الكبريتيك يكون سريعًا ولا يرحم. بالنسبة للتآكل النشط، فإن الغلاف الذي يبلغ قطره 2.0 مم مع فقدان 5 مم سنويًا سوف ينثقب في أقل من خمسة أشهر. مطلوب بشكل عام تخفيض أقل من 8 وات/سم² لمدة ستة أشهر، ولكن في العديد من حمامات التخليل الصناعية يكون التخفيض أقل من 4 وات/سم² أو أقل أمرًا غير عملي، كما أن ترقية السبائك هي الخيار الوحيد الموثوق به.