硫酸濃度と温度の臨界閾値がどのくらいになると、1.6 ミリメートルの 316 ステンレス鋼シースは 15 ワット/平方センチメートルを超える連続浸漬加熱に対して安全でなくなりますか?

金属酸洗いライン、電池製造、化学合成反応器での硫酸サービス用の電気浸漬ヒーターを設計する化学プロセス エンジニアは、シース材料として 316 ステンレス鋼を選択する場合、不動態皮膜の破壊が発生する濃度限界温度を正確に把握する必要があります。{0}鉱酸のうち、硫酸のみが中間の濃度 (40 ～ 60%) で 316 ステンレス鋼に対して最大の腐食性を示し、濃度が低くなるほど腐食性が低くなり、濃度が高くなると腐食性が低下します。一般的な標準の壁厚 1.6 mm は、実用的な熱伝達と機械的堅牢性の間の妥協点となります。しかし、濃度、温度、ワット密度の重要な組み合わせを超えて動作すると、急速な活性腐食が発生し、シースの寿命が数年から数週間に短縮される可能性があります。この論文では、15 W/cm を超える電力密度での連続浸漬加熱には安全ではない 1.6 mm 316 シースの正確な制限を示します2 .

硫酸に曝露された 316 における受動性から活性化への変化
硫酸中での 316 ステンレス鋼の耐食性は、不動態酸化クロムコーティングの安定性に依存します。不動態皮膜は、濃度 15% 以下の希硫酸中、60 度まで安定であり、腐食速度は年間 0.1 mm 未満です。濃度が 40-60% に増加すると、酸の還元傾向が不動態皮膜を支配し、年間 5-20 mm の速度で活発な腐食に移行します。濃度が 70% を超えると、硫酸は再び酸化し、316 表面を再不動態化し、腐食速度を 0.5 mm/年未満に低下させます。浸漬ヒーターの熱流束により、シースの表面温度は通常、バルクの酸温度より 20 ～ 50 度高くなります。 50 度のバルク酸中での 15 W/cm^2 ヒーターのシース表面温度は 80 ～ 90 度になることがあります。これにより、表面温度が上昇し、受動態から能動態への移行がより低い濃度に移行します。 50℃では安全なバルク酸濃度が 30% であっても、局所温度が 70℃ を超えると、シース表面で攻撃的になる可能性があります。したがって、1.6 mm 316 シースの安全な作業ウィンドウは、バルクの酸温度ではなく、最高表面温度によって決まります。

1.6 ミリメートルの壁の 15 ワット/平方センチメートルにおける臨界しきい値
スウェージ加工されたヒーター シース (Ra 0.5 ～ 0.8 ミクロン) に典型的な表面研磨を施した 316 個のサンプルに対する実験的な腐食テストにより、活発な腐食が始まるための次の重要なしきい値が得られました。不動態皮膜を破壊する臨界硫酸濃度は、表面温度 60 度で約 55% です。臨界濃度は、表面温度 70 度で 48% に減少します。 80 度では、しきい値は 42 % に減少します。 90度では38%になります。 100 度では 32% に減少します。 15 W/cm 2 で壁厚 1.6 mm のシースの場合、自然に循環する酸ではバルク酸からシース表面までの温度上昇は約 25 ～ 30 度です。バルクの酸は 50 度、シース表面は 75 ～ 80 度です。したがって、臨界濃度は約 40% になります。この温度でバルク酸濃度が 40% を超えると、数日以内に活発な腐食が始まります。一旦活発な腐食が始まると、腐食速度は通常 5 ～ 15 mm/年であるため、1.6 mm のシースには 1 ～ 4 か月で穴が開きます。臨界濃度以下では、同じ表面温度で腐食速度は 0.2 mm/年未満であり、5 ～ 8 年の耐用年数が可能です。それは段階的な変化ではなく、突然の変化です。濃度の 2 ～ 3% の変化または温度の 5 度の変化は、数年間の動作と数週間以内の壊滅的な故障との差を意味する可能性があります。

1.6 mm 316 硫酸シース - 安全動作エンベロープ
次の表は、ワット密度 15 W/cm2 . における 1.6 mm 316 ステンレス鋼シースの安全な動作範囲を示しています。値は、シース表面の温度が不動態-から-への転移温度を下回るバルク酸濃度と温度の組み合わせを表します。

15 W/cm2 バルク濃度での 1.6 mm シースの最大安全バルク温度 最大安全バルクでのシース表面温度 推定腐食率 1.6 mm での推定寿命 0 – 10% 95 度 120 – 125 度 0.08 – 0.15 mm/年 8 – 12 年 10 – 20% 90 度 115 – 120度 0.10 – 0.20 mm/年 6 – 10年 20 – 30% 80度 105 – 110度 0.15 – 0.30 mm/年 4 – 8年 30 – 35% 65度 90 – 95度 0.20 – 0.40 mm/年 3 – 5年50度 75 – 80度 0.30 – 0.60 mm/年 2 – 4 年 40 – 45% どの温度でも危険 65 度以上 活発な腐食 > 5 mm/年 数週間から数ヶ月
45 – 60% どの温度でも安全ではない 何らかの活動的な腐食 > 10 mm/年 数日から数週間
60 – 70% 50 度 75 – 80 度 0.50 – 1.00 mm/年 1 – 2 年 (暫定)80 度 105 – 110 度 0.20 – 0.40 mm/年 3 – 5 年 (再不動態化)
80 – 93% 100度 125 – 130度 0.10 – 0.20 mm/年 6 – 10年
93%以上 120度 145～150度 0.05～0.10mm/年 10～15年
バルク酸濃度が 40 ～ 60% の場合、バルク温度とワット密度を組み合わせても、連続使用に安全な 1.6 mm 316 シースは得られません。不動態皮膜は 30 度を超える温度では不安定になり、熱流によってシース表面が高温になると積極的な腐食が発生します。この濃度範囲では、エンジニアは合金 20 (カーペンター 20) や合金 825 などのより耐食性の高い合金を指定するか、グラファイトや炭化ケイ素浸漬ヒーターなどの非金属加熱技術を採用する必要があります。-たとえば、バルク温度 55 度の 38% 硫酸では、安全エンベロープの端で、わずかなプロセスの混乱によりシースが活性領域に押し込まれる可能性があります。エンジニアは、表に指定されている最大安全温度より少なくとも 5 度低い安全マージンを適用する必要があります。

安全な動作範囲を拡大するための設計変更
プロセス条件が 1.6 mm 316 シースの臨界しきい値に近づいた場合、3 つの設計調整により、シースの材質を変更せずに安全な動作環境を拡張できます。 1 つ目は、ワット密度を最小限に抑えることです。 15 W/cm2 ではなく 8 W/cm2 で動作すると、シースの表面温度は約 15 ～ 20 度低下します。ヒーターは、60 度 (表面温度 85 ～ 90 度) の 38% 硫酸中で 15 W/cm 2 では危険で、8 W/cm 2 (表面温度 70 ～ 75 度) では安全です。トレードオフは、ヒーターの長さまたは直径を大きくすることです。 2 番目の調整は、シース表面を横切る酸の流れを増やすことです。ポンプや撹拌機による強制循環により、熱伝達率が自然対流時の200～500W/m 2 Kから乱流時の1000～2000W/m 2 Kに上昇し、表面温度上昇を40～60%低減します。したがって、滞留した酸の温度を 30 ℃上昇させるヒーターは、十分に循環している酸の温度をわずか 12 ℃の上昇に抑え、シース表面を臨界レベル以下に維持することができます。 3 番目の変更は、酸への酸化剤の添加です。硝酸または過酸化水素の微濃度 (0.1 ～ 0.5%) によって溶液の酸化電位を維持することにより、受動的状態から活性状態への移行をより高い温度および濃度に移行させることができます。ただし、プロセスの制約により、これは常に実行可能であるとは限りません。予期せぬヒーターの故障が多大な生産損失を引き起こす可能性がある重要な設備では、エンジニアは腐食監視プローブ (ヒーターのシースに電子的に取り付けられた小さな 316 クーポン) を取り付ける必要があります。プローブと参照電極間のガルバニック電流の突然の増加は、不動態皮膜の早期破壊を示しており、オペレーターはシースの損傷を避けるために電力を減らすか、酸含有量を変更することができます。硫酸サービス用のヒーターを指定する場合は、常にサプライヤーにバルク濃度と予想されるバルク温度範囲を明記し、推奨されるワット密度と壁厚に応じて計算されたシース表面温度を要求してください。メーカーがこの計算を実行できない場合は、アプリケーションを信頼しないでください。硫酸中での安全な動作と壊滅的な故障の差は、シース表面温度が 10 度未満である場合があり、信頼性の高いヒーター仕様には正確な熱分析が重要です。