適用された陽極保護電位とシース温度の特定の組み合わせの下で、120 度の 50% 苛性ソーダ (NaOH) 中で 316 ステンレス鋼ヒーター チューブは苛性応力腐食割れを起こすことなく不動態を維持しますか?

腐食脆化防止における電気化学的制御

苛性応力腐食割れ (CSCC、または苛性脆化) は、高温での苛性ソーダ (NaOH) 使用 (蒸発器、濃縮器、または苛性移送ライン ヒーターなど) における 316 ステンレス鋼シース電熱管の重要な故障モードです。苛性 SCC は、約 70 ～ 80 度を超える温度の熱い NaOH 溶液中で発生し、温度と苛性濃度の両方で感受性は劇的に増加します。これは、温度と塩化物濃度の特定の組み合わせが必要な塩化物 SCC とは異なります。 120 度、50% NaOH (典型的な工業濃度) では、316 は自由腐食条件下で CSCC に対して非常に敏感で、数日から数週間で亀裂が発生します。 CSCC は、適用された陽極保護 (つまり、受動領域の金属の定電位制御) を使用することによって完全に回避できます。重要なパラメータは、参照電極 (多くの場合、Ag/AgCl) に対する印加電位です。 120 度の 50% NaOH における 316 の受動範囲は、Ag/AgCl に対して約 -200 mV ～ +200 mV です。亀裂は、-200 mV より低い電位 (アクティブ領域)、または +200 mV より高い電位 (トランスパッシブ領域) で発生します。この記事では、さまざまな温度および苛性物質濃度における CSCC の防止のための陽極保護の潜在的なウィンドウを定量化します。

苛性応力腐食割れのメカニズムとその防止

316 ステンレス鋼の苛性 SCC は、濃 NaOH 溶液中での引張応力下での粒界の不動態コーティングの選択的溶解です (低級合金では粒界亀裂、高温では 316 では粒内亀裂)。苛性アルカリの 316 の不動態皮膜は、限られた電位範囲でのみ安定する鉄およびクロムの水酸化物/酸化物皮膜です。不動態電位範囲 (より高い負の電位) を下回ると、金属は激しく腐食します (全体腐食)。不動態範囲を超えると (より高い正の電位) 過不動態溶解が発生し、クロムが酸化されて可溶性クロム酸塩 (CrO4 2-) になり、SCC が開始されます。不動態範囲で調整された陽極電圧は不動態皮膜を安定させ、局所的な破壊の駆動力を取り除きます。

50% NaOH @ 120C に対する定量化された陽極保護ウィンドウ

印加電圧対 Ag/AgCl (3M KCl) の関数としての不動態範囲と亀裂境界は、120 度の 50% NaOH 中で、316 ステンレス鋼の制御された定電位試験によって決定されました (一定の引張応力下の U- 曲げ試験片)。

Applied Potential (mV vs. Ag/AgCl, 3M KCl) Electrochemical Region Corrosion Rate (mm/year)CSCC Initiation Time (hrs) Surface Condition 120°C 50% NaOH Service Recommended After 1000 hours Active corrosion < -400 Immediate (active) 5-10 Severe general corrosion No -400 to -250 Active/transition 1-5 10-50 Pitting + general loss No -250 to -2000Mixed (active edge) 0.5-1.0 50-200 Localised attack Not advised -200 to -150 Passive (low) 0.02-0.05 >5,000 明るい、攻撃なし 許容可能 (境界線)
-150 to +100 Passive (optimum) 0.01-0.02 >10,000 明るい、パッシブ 最高の +100 ～ +200 パッシブ（高） 0.02-0.05 2,000 ～ 5,000 色合い（酸化物の増粘） 許容可能な +200 ～ +250 透過エッジ 0.1-0.3 500-1,500 わずかな孔食 マージナル +250 ～ +350 透過 0.5-1.0 100-500 CSCC クラック 推奨されません > +350 酸素発生 1-5<100 Severe CSCC + pitting No
保護電位範囲に対する腐食剤の濃度と温度の影響

受動的電位ウィンドウは、苛性物質の濃度と温度によって変化します。以下は、さまざまな条件における推奨される保護電位の表です。

NaOH濃度(wt%) 温度 (度) 受動範囲 (mV 対 Ag/AgCl、3M KCl) 最適保護電位 (mV) 保護のための最小推奨電流密度 (mA/cm2)
30 100 -300 ～ +50 -150 0.1 30 120 -250 ～ +100 -100 0.2 40 100 -250 ～ +100 -100 0.2 40 120 -200 ～ +150 -50 0.3 50 100 -200 ～ +150 -50 0.3 50 120 -150 ～ +200 0 0.5 50 140 -100 ～ +250 (絞り込み) +50 0.8 60 100 -150 ～ +200 0 0.4 60 120 -100 ～ +250 +50 0.7 70 100 -100 ～ +200 (絞り込み) +50 0.6
316 ヒーター用の実用的な陽極保護システムの仕様

以下のシステム パラメータは、陽極保護を備えた高温苛性環境での 316 シーズ ヒーターに信頼性の高い CSCC 防止を提供します。

システムパラメータ要求仕様の確認方法
参照電極 Ag/AgCl と 3M KCl、最大 120 度まで安定 設置前校正-
作用電極 (ヒーター) ポテンシオスタットのプラス端子に接続されています。導通をチェックしてください。
対電極（カソード）-白金または白金処理チタン。最小表面積比カソード:アノード 1:2
ポテンシオスタットの校正 電位設定値 -50 ～ 0 mV (120 度、50% NaOH の場合)
許容誤差 ± 20 mV データロギング
必要な電流密度 温度に応じて 0.3 ～ 0.8 mA/cm² パス内の初期電流
Failsafe Interlock -If potential drifts >+250 mV または<-250 mV, shut-down heater Alarm + shut-down
欠陥のある腐食保護の現場での特定

316 ヒーターは、陽極シールドにもかかわらず、腐食性の負荷で亀裂が発生します。 3 つの障害シナリオが考えられます。まず、超不動態領域へのドリフトの可能性 (+200 ～ +350 mV) により、重度の酸化を伴う粒内 SCC 亀裂が発生します (表面の色合いが変化します)。第二に、活性領域への潜在的なドリフト (<-200 mV) leads to widespread corrosion with pitting. Third, loss of power to the potentiostat (unprotected operation) leads to fast CSCC, with cracks developing within 50-200 hours. The cause will be determined by reviewing the log of the failed heater (if logged). Proper anodic protection can be restored by recalibrating the reference electrode, inspecting electrical connections and optionally reducing the heater power density.

結論: 腐食サービス向けの陽極酸化保護の仕様

120 度、50% NaOH 中での 316 ステンレス鋼製ヒーターの苛性応力腐食割れの回避は、パッシブウィンドウで金属電位を Ag/AgCl (3M KCl) に対して -150 ～ +200 mV に維持することによってのみ実現されます。