Γιατί οι ηλεκτρικοί σωλήνες θέρμανσης με θήκη από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε βρόχους απολύμανσης υποχλωριώδους νατρίου στις 30–50 μοίρες αναπτύσσουν επίθεση βαθιάς αυλάκωσης στο όριο τριών- Φάσεων εντός 200 ωρών διακοπτόμενης υπηρεσίας;

Το υποχλωριώδες νάτριο (NaOCl) χρησιμοποιείται συνήθως για απολύμανση σε δημοτικά συστήματα επεξεργασίας νερού, υγιεινής επεξεργασίας τροφίμων και φαρμακευτικών συστημάτων CIP (καθαρά-επί τόπου-). Οι ηλεκτρικοί σωλήνες θέρμανσης χρησιμοποιούνται συνήθως σε βρόχους ανακυκλοφορίας υποχλωριώδους για να διατηρούν τις θερμοκρασίες διαλύματος στην περιοχή 30–50 μοιρών για βέλτιστη απόδοση απολύμανσης. Ωστόσο, οι αστοχίες πεδίου σε πολλές μονάδες επεξεργασίας νερού έχουν δείξει ότι 316 περιβλήματα από ανοξείδωτο χάλυβα είναι ευαίσθητα σε μια πολύ εντοπισμένη, σοβαρή επίθεση αυλάκωσης στο όριο τριών φάσεων του αέρα-υγρού-ατμού σε 200 έως 500 ώρες διακοπτόμενης λειτουργίας. Αυτή η επίθεση δεν παρατηρείται σε επίμονες υγρές ή εντελώς ξηρές συνθήκες. Το όριο τριών φάσεων, όπου το περίβλημα φεύγει από το διάλυμα υποχλωριώδους και εισέρχεται στον χώρο ατμών παραπάνω, εκτίθεται σε έναν μοναδικό συνδυασμό συνθηκών, συμπεριλαμβανομένων των κύκλων διαβροχής και ξήρανσης, εμπλουτισμού οξυγόνου μέσω επαφής με τον αέρα, εξάτμισης υποχλωριώδους και χλωριούχων ειδών που προκαλούν συγκέντρωση και αποσύνθεση του υποχλωριώδους άλατος (2C). Το αποτέλεσμα είναι ένα αυτοσυντηρούμενο διαβρωτικό στοιχείο που κόβει μια περιφερειακή αυλάκωση στο περίβλημα στο επίπεδο του υγρού, συνήθως διαπερνώντας τον τοίχο εντελώς μέσα σε εβδομάδες. Αυτή η μελέτη ποσοτικοποιεί το ρυθμό διάβρωσης αυλακώσεων στο όριο τριών φάσεων στην υπηρεσία NaOCl και παρουσιάζει προτάσεις σχεδιασμού και λειτουργίας για την αποφυγή αυτού του τρόπου αστοχίας.

Ηλεκτροχημεία του ορίου τριών φάσεων στα διαλύματα των υποχλωριτών
Τα διαλύματα υποχλωριώδους νατρίου είναι εγγενώς ασταθή και αποσυντίθενται σύμφωνα με 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 και επίσης 2NaOCl → 2NaCl + O2. Η αποσύνθεση επιταχύνεται γύρω στους 30-50oC. Η λεπτή μεμβράνη του διαλύματος υποχλωριώδους που διαβρέχει το περίβλημα πάνω από το επίπεδο του χύμα υγρού στο όριο τριών φάσεων (αέρας-υγρού-θηκάρι) εξατμίζεται γρήγορα, συμπυκνώνοντας το υποχλωριώδες από το συνηθισμένο 0,5–2,0% προσβάσιμο χλώριο έως και το 10–15% στο φιλμ εξάτμισης. Το συμπυκνωμένο υποχλωριώδες διασπάται ταχύτερα για να δώσει αέριο χλώριο (Cl2) το οποίο είναι πολύ διαβρωτικό στον ανοξείδωτο χάλυβα 316 και σε ένα τοπικά έντονα οξειδωτικό περιβάλλον χαμηλού pH. Ταυτόχρονα, οι κύκλοι διαβροχής και στεγνώματος αποκλείουν τη δημιουργία μιας σταθερής παθητικής μεμβράνης. Κατά τη διάρκεια του στεγνού μέρους του κύκλου, κάθε παθητικό φιλμ που έχει σχηματιστεί έχει στεγνώσει και σπάσει. Κατά τη διάρκεια του σταδίου επαναδιαβροχής, φρέσκο ​​υποχλωριώδες άλας προσβάλλει το εκτεθειμένο μέταλλο πριν σχηματιστεί μια νέα επίστρωση.

Η δημιουργία μιας κυψέλης διαφορικού αερισμού επιταχύνει τον μηχανισμό αυλάκωσης Η περιοχή κάτω από τη γραμμή υγρού έχει εξαντληθεί-το οξυγόνο (καθώς η διάσπαση του υποχλωριώδους καταναλώνει οξυγόνο) ενώ το λεπτό στρώμα πάνω από το όριο των τριών φάσεων είναι{{2} πλούσιο σε οξυγόνο{{2}από την επαφή με τον αέρα. Η πλούσια σε οξυγόνο περιοχή γίνεται καθοδική και το μέταλλο ακριβώς από κάτω γίνεται ανοδικό. Το ανοδικό ρεύμα εντοπίζεται στη γραμμή υγρού και αναπτύσσει ένα αυλάκι που βαθαίνει και διευρύνεται με την πάροδο του χρόνου.

Ποσοτικοποίηση των ρυθμών διάβρωσης αυλακώσεων στο όριο των τριών φάσεων-
316 δείγματα περιβλήματος από ανοξείδωτο χάλυβα (τοίχωμα 1,5 mm, OD 12 mm, διάλυμα-ανοπτημένο) βυθίστηκαν μερικώς σε διάλυμα NaOCl 1,0% διαθέσιμου χλωρίου (αρχικό pH 10,5) στους 40 βαθμούς σε ελεγχόμενη δοκιμή, με το επίπεδο του υγρού στο μεσαίο{{7} μήκος. Η δοκιμή εναλλάσσεται μεταξύ θέρμανσης (θηκάρι ενεργοποιημένο σε θερμοκρασία επιφάνειας 50 μοιρών) και ρελαντί (χωρίς θέρμανση, λουτρό 40 μοιρών) σε κύκλο 6 ωρών ενεργοποίησης/6 ωρών απενεργοποίησης. Κατά διαστήματα τα δείγματα ελέγχονταν για βάθος αυλάκωσης στο αρχικό επίπεδο υγρού. Το βάθος του αυλακιού αξιολογήθηκε με χρήση τομής και οπτικής μικροσκοπίας.

Χρόνος έκθεσης (ώρες) Αριθμός κύκλων υγρού-Στεγνώματος (6 ώρες ο καθένας) Βάθος αυλάκωσης Μέγιστο (μm) Πλάτος αυλάκωσης (mm) Μείωση πάχους τοιχώματος στο αυλάκι (από 1,5 mm)
0 0 0 0 0% 100 8 (περίπου) 45 0.8 3% 200 17 110 1.2 7% 300 25 210 1.5 14% 400 33 380 2.0 25% 500 42 620 2.5 41% (κοντά σε διάτρηση)
600 50 880 (διάτρητο) 3.0 59%
Ο ρυθμός αυλάκωσης ήταν περίπου 1,5-2,0 um/h έκθεσης, περίπου σταθερός μετά από μια αρχική επώαση 50-100 ωρών. Για τοίχωμα 1,5 mm, ο προβλεπόμενος χρόνος μέχρι τη διάτρηση ήταν 600-800 ώρες (25-33 ημέρες) υπό συνεχή ποδηλασία. Στην υπηρεσία αγρού με εκτεταμένους κύκλους εκτός λειτουργίας και ποικίλες συνθήκες, η αποτυχία ήταν συχνά μέσα σε 200-500 ώρες (8-21 ημέρες).

Σύγκριση με τη συνεχή βύθιση και άλλους παράγοντες
Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ελέγχου για να απομονωθεί το οριακό αποτέλεσμα τριών φάσεων σε διάφορες καταστάσεις. Τα παρακάτω στατιστικά δείχνουν ότι δεν υπάρχει ζημιά στην οριακή συνθήκη τριών φάσεων σε σύγκριση με τη συνεχή βύθιση (χωρίς υγρή-ξηρή ανακύκλωση) και την εντελώς ξηρή έκθεση.

Συνθήκη δοκιμής Συγκέντρωση NaOCl (% διαθέσιμο Cl 2) Θερμοκρασία ( βαθμός ) Χρόνος έκθεσης (ώρες) Μέγιστο βάθος διάβρωσης (μm) Κατάσταση επιφάνειας
Πλήρως βυθισμένο (χωρίς διεπαφή αέρα) 1.0 40 500 25 Ήπιο κοίλωμα, ομοιόμορφο
Πλήρως βυθισμένο 1.0 50 (θερμαίνεται με θήκη) 500 45 Τρύπημα, χωρίς αυλάκωση
Μερικώς βυθισμένο, σταθερό επίπεδο υγρού (χωρίς κύκλωμα) 1.0 40 500 180 (στη γραμμή υγρού) Αύλακα, λιγότερο σοβαρή
Μερικώς βυθισμένη, υγρή-στεγνή ποδηλασία (θέρμανση ενεργοποίηση/απενεργοποίηση) 1.0 40/50 500 620 Βαθιά αυλάκωση
Μερικώς βυθισμένο, pH ρυθμισμένο στο 9,5 (ως ανθρακικό νάτριο) 1.0 40/50 500 85 Ελαφρύ αυλάκι
Μερικώς βυθισμένο , εκκένωση αζώτου πάνω από το χώρο ατμών 1.0 40/50 500 110 Μειωμένη αυλάκωση
Μερικώς βυθισμένο, απιονισμένο νερό (χωρίς NaOCl) 0 40/50 500 0 Χωρίς διάβρωση
Κρίσιμοι παράγοντες είναι η παρουσία υποχλωριώδους άλατος, η παρουσία υγρής-διασύνδεσης ατμών, η υγρή-ξηρή ανακύκλωση και η πρόσβαση οξυγόνου στο χώρο των ατμών. Η εξάλειψη οποιουδήποτε από αυτούς τους παράγοντες μειώνει την αυλάκωση κατά μια αναλογία 3-7.

Επίδραση χημικών ουσιών στον ρυθμό αυλάκωσης
Ο ρυθμός αυλάκωσης είναι αρκετά ευαίσθητος στη διαθέσιμη συγκέντρωση χλωρίου του υποχλωριώδους διαλύματος. Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις οδηγούν σε ταχύτερη διάσπαση του υποχλωριώδους, αυξημένη παραγωγή αερίου χλωρίου και πιο επιθετική συγκέντρωση εξάτμισης. Δοκιμές σε σταθερές 40 μοίρες με κύκλους υγρού-στεγνώματος 6-ωρών και συνολική έκθεση 500 ωρών κατέληξαν στην ακόλουθη σχέση:

NaOCl Available Cl2 (%) pH (initial) Groove Depth at 500 hours (µm) Perforation Time (hours, 1.5 mm wall) Vapour Space Cl2 Odour Observed 0.1 10.0 45 >5000 (δεν επιτεύχθηκε) Κανένα 0.5 10.3 180 2500 Ήπιο 1.0 10.5 620 600-800 Ισχυρό 2.0 11.0 1050 (διάτρητο < 500 ώρες) 300-400 Πολύ δυνατό
1,0 με καθαριστή χλωρίου (θειοθειικό, 10 ppm) 10.5 85 2800 Όχι
Ο προβλεπόμενος χρόνος διάτρησης για αυλάκωση σε τυπικούς βρόχους απολύμανσης πόσιμου νερού με 0,5–1,5 % NaOCl είναι 2–8 εβδομάδες για 316 περιβλήματα. Η παρουσία θειοθειικού καταναλώνει αποτελεσματικά ελεύθερο χλώριο και αποφεύγει τις αυλακώσεις, αλλά μπορεί να μειώσει την αποτελεσματικότητα της απολύμανσης.

Παραδείγματα αστοχιών χωραφιού σε μονάδες επεξεργασίας νερού
Μια ανασκόπηση 23 δημοτικών εγκαταστάσεων επεξεργασίας νερού που χρησιμοποιούν 316 θερμαντήρες με περιβλήματα από ανοξείδωτο χάλυβα σε βρόχους ανακυκλοφορίας NaOCl (0,5–1,2% διαθέσιμο Cl2, 35–45 μοίρες, διαλείπουσα λειτουργία αντλίας με υγρούς- κύκλους στεγνώματος κάθε 4–12 ώρες) έδειξε τα ακόλουθα μοτίβα αστοχίας:

Μοτίβο λειτουργίας εγκατάστασης Κατά προσέγγιση υγρό-Κύκλοι στεγνώματος ανά Καθορισμένος χρόνος διάτρησης DayGroove
Εγκατάσταση Α (1,2 % NaOCl) Συνεχής ανακυκλοφορία, σταθερό επίπεδο 0 (χωρίς κύκλο) 8-12 μήνες (χωρίς αυλάκωση, μόνο κοίλωμα)
Εγκατάσταση Β (1,0% NaOCl) Διακοπτόμενη, 6 ώρες ενεργοποίηση / 6 ώρες εκτός λειτουργίας, το επίπεδο ποικίλλει 2 18 d
Εγκατάσταση C (0,8% NaOCl) Διακοπτόμενη, 8 ώρες ενεργοποίηση / 16 ώρες εκτός λειτουργίας, το επίπεδο κυμαίνεται 1.5 25 ημέρες
Εγκατάσταση D (0,5% NaOCl) Διακοπτόμενη, αντλεί κάθε 4 ώρες, το επίπεδο μειώνεται μεταξύ των κύκλων 6 12 ημέρες
Εγκατάσταση E (0,5% NaOCl, στάθμη υγρού ελεγχόμενη από βαλβίδα πλωτήρα) Διακοπτόμενη θέρμανση, αλλά χωρίς κύκλο στάθμης 0 (χωρίς αλλαγή επιπέδου) 6 μήνες (χωρίς αυλάκωση)
Τα φυτά Α και Ε υποδεικνύουν ότι η διατήρηση σταθερού επιπέδου υγρού (χωρίς υγρή-ξηρή ανακύκλωση της επιφάνειας του περιβλήματος) είναι πιο σημαντική από την ύπαρξη υψηλής συγκέντρωσης υποχλωριώδους άλατος για την αποφυγή αυλάκωσης. Η συγκέντρωση δεν επηρέασε τον ρυθμό αστοχίας των εγκαταστάσεων με διακυμάνσεις στάθμης ή τη λειτουργία παρτίδας στις οποίες ο θερμαντήρας ήταν εκτεθειμένος κατά τη διάρκεια των κύκλων αποστράγγισης.

Σχεδιαστικές και επιχειρησιακές στρατηγικές για την αποφυγή αυλάκωσης τριών- φάσεων
Χρησιμοποιούνται τρεις μηχανολογικές λύσεις για τον μετριασμό ή τη δραστική ελαχιστοποίηση της αυλάκωσης τριών- φάσεων στην υπηρεσία NaOCl. Ο πιο σίγουρος τρόπος είναι να διατηρείτε τη θερμάστρα πάντα κάτω από το νερό. Σχεδιάστε τη δεξαμενή ή τη θηλιά με ελάχιστη στάθμη υγρού πάνω από την κορυφή του στοιχείου θέρμανσης. Παρέχετε έναν διακόπτη αποκοπής χαμηλής στάθμης που απενεργοποιεί-τον θερμαντήρα όταν η στάθμη του υγρού πέσει κάτω από την κορυφή του περιβλήματος.

Το δεύτερο είναι να διατηρείται το υγρό σε ομοιόμορφο επίπεδο ανεξάρτητα από τη δράση των αντλιών ή των θερμαντήρων, αποφεύγοντας έτσι την υγρή-ξηρή ανακύκλωση όταν δεν υπάρχει αρκετό υγρό για να βυθιστεί πλήρως. Ένα φράγμα υπερχείλισης σταθερού επιπέδου ή βαλβίδα ελέγχου στάθμης εμποδίζει την επιφάνεια του υγρού να ταξιδεύει πάνω από την επιφάνεια του περιβλήματος.

Η τρίτη προσέγγιση αφορά συστήματα όπου η διακύμανση του επιπέδου δεν μπορεί να αποτραπεί. Οριζόντια τοποθέτηση του καλοριφέρ, όχι κάθετη. Όταν ο σωλήνας είναι οριζόντιος, το όριο των τριών φάσεων είναι μόνο μια γραμμή στην κορυφή του σωλήνα αντί για έναν ολόκληρο κύκλο. Επίσης η αυλάκωση που σχηματίζεται στην κορυφή δεν φτάνει το όριο πίεσης τόσο γρήγορα. Επιπλέον, μπορεί να κατασκευαστεί ένας οριζόντιος σωλήνας με το θερμαντικό στοιχείο να βρίσκεται έκκεντρα προς το κάτω μέρος, έτσι ώστε το πάνω μέρος του περιβλήματος να μην θερμαίνεται άμεσα, μειώνοντας έτσι την τοπική θερμοκρασία στο όριο των τριών φάσεων.

Υποκατάστατα υπηρεσίας υποχλωριώδους
Εάν απαιτείται ανοξείδωτος χάλυβας 316, αλλά δεν μπορεί να αποφευχθεί η τριφασική έκθεση, τότε η αναβάθμιση του υλικού της θήκης έχει κάποιο πλεονέκτημα. Δεν υπάρχει κοινός ανοξείδωτος χάλυβας που να είναι πραγματικά ανθεκτικός στην τριφασική κατάσταση υποχλωριώδους.

Βάθος αυλάκωσης υλικού θηκών στις 500 ώρες, 1% NaOCl, 40 μοίρες, υγρή-στεγνή ποδηλασία (um) Σχετικό κόστος (έναντι 316) Συνιστάται
316 από ανοξείδωτο χάλυβα 620 1.0 Όχι (ταχεία αποτυχία)
904L (UNS N08904) 280 2.5 Borderline
Κράμα 825 (UNS N08825) 120 4.0 Αποδεκτό με έλεγχο επιπέδων
Τιτανίου Βαθμού 2<10 2.2 Yes (very good)
Titanium Grade 7<5 2.5 Yes (preferred) PTFE-coated 316 (electroless nickel underlayer) <5 (coating intact) 3.0 Yes, but danger of coating deterioration
Το Titanium Grade 2 ή Grade 7 είναι ανθεκτικό στην προσβολή υποχλωριώδους άλατος σε θερμοκρασίες έως και 70 βαθμούς και είναι παθητικό ακόμη και σε συνθήκες τριών φάσεων. Τα δεδομένα πεδίου από μια μονάδα επεξεργασίας τροφίμων όπου 316 θήκες αντικαταστάθηκαν με τιτάνιο βαθμού 2 σε βρόχο CIP 0,8% NaOCl δεν έδειξαν αυλάκωση ή τρύπημα μετά από 24 μήνες διαλείπουσας λειτουργίας, όπου προηγουμένως 316 περιβλήματα αστοχούσαν κάθε 3-4 εβδομάδες.

Γλώσσα προδιαγραφής θερμαντήρα βρόχου υποχλωριώδους
Κατά την αγορά ηλεκτρικών σωλήνων θέρμανσης για σέρβις υποχλωριώδους νατρίου όπου υπάρχει οποιαδήποτε πιθανότητα για υγρό- κύκλο στεγνώματος ή διακύμανση της στάθμης, οι μηχανικοί θα πρέπει να απαιτούν υλικό θήκης τιτανίου Βαθμού 2 ή Βαθμού 7 ως ελάχιστο. Όταν χρησιμοποιείται ανοξείδωτος χάλυβας 316 σε υπάρχον σύστημα, θα ενσωματώνονται οι ακόλουθες απαιτήσεις λειτουργίας: (α) Η στάθμη του υγρού πρέπει να διατηρείται πάντα πάνω από το ανώτατο θερμαντικό στοιχείο μέσω συστήματος ελέγχου στάθμης. (β) Θα πρέπει να παρέχεται ένας διακόπτης διακοπής χαμηλής-στάθμης, ο οποίος θα είναι κλειδωμένος με τον επαφέα του θερμαντήρα για να απενεργοποιεί-τον θερμαντήρα εάν η στάθμη πέσει κάτω από το ασφαλές ελάχιστο. (γ) Το σύστημα θα είναι σχεδιασμένο για συνεχή λειτουργία με σταθερή στάθμη και όχι για εργασίες αποστράγγισης παρτίδας-και-πλήρωσης. (δ) Η θήκη πρέπει να επιθεωρείται σε επίπεδο υγρού μηνιαίως για αυλάκωση με μέτρηση πάχους υπερήχων ή οπτική επιθεώρηση μέσω υαλοπίνακα. Για νέες εγκαταστάσεις με περιεκτικότητα σε υποχλωριώδες άλας άνω του 0,2% διαθέσιμο Cl 2 και θερμοκρασία άνω των 35 βαθμών, προσδιορίστε το υλικό θήκης τιτανίου Βαθμού 7 και τον οριζόντιο προσανατολισμό του θερμαντήρα. Το όριο τριών φάσεων στην υπηρεσία υποχλωριώδους άλατος παρουσιάζει ένα μοναδικά επιθετικό μικρο{15}}περιβάλλον που διαφέρει θεμελιωδώς από την έκθεση είτε σε πλήρη εμβάπτιση είτε σε φάση ατμού. Οι μηχανικοί που το κατανοούν αυτό μπορούν να επιλέξουν τα κατάλληλα υλικά και το σχεδιασμό του συστήματος για να αποφύγουν την ταχεία αστοχία αυλάκωσης που χαρακτηρίζει αυτήν την εφαρμογή.