За инженерите, проектиращи електрически потопяеми нагреватели за производство на полупроводници, фармацевтични водни системи и лабораторно оборудване, високо{0}}чистата дейонизирана вода представлява парадокс. Дейонизираната вода е агресивно корозивна за много метали въпреки високото си електрическо съпротивление, тъй като й липсват разтворените йони, които обикновено образуват защитни пасивни слоеве. За неръждаема стомана 316 филмът от пасивен хромен оксид остава стабилен в дейонизирана вода при стайна температура. Въпреки това, при повишени температури над 80°C, разтворимостта на кислорода намалява, докато корозионният потенциал се увеличава, което води до преход от пасивна към активна корозия. Дебелината на стената на обвивката 316 определя както допустимото ниво на корозия през експлоатационния живот на нагревателя, така и температурата на повърхността за дадена плътност във вата. Тази статия установява максимално допустимата дебелина на стената за 316 обвивки в услуга за дейонизирана вода с висока-чистота въз основа на публикувани данни за скоростта на корозия и практически опит от индустрията за ултрачиста вода.
Корозионни механизми на неръждаема стомана 316 в дейонизирана вода при висока-температура
Във висока{0}}чиста дейонизирана вода със съпротивление над 1 megohm-сантиметър концентрацията на агресивни йони като хлориди е изключително ниска. Отсъствието на разтворени соли обаче не прави водата доброкачествена. При температури над 80°C неръждаемата стомана 316 може да претърпи обща корозия и, което е по-критично, локализирана корозия на места, където пасивният филм е повреден. Скоростта на корозия в дейонизирана вода следва зависимостта на Арениус, като приблизително се удвоява за всяко повишаване на температурата с 25°C. При 90°C общата скорост на корозия на 316 в дейонизирана вода е приблизително 0,02 до 0,05 милиметра на година. При 120°C скоростта нараства до 0,10 до 0,20 милиметра годишно. При 150°C скоростта достига 0,30 до 0,50 милиметра годишно. Тези нива може да изглеждат ниски, но за нагревател, който се очаква да работи непрекъснато в продължение на 5 до 10 години, скорост от 0,10 mm на година изразходва 0,5 до 1,0 mm дебелина на стената. Обвивка от 1,0 mm първоначално ще бъде намалена до 0,5 mm след пет години, в който момент механичната цялост става съмнителна. Корозията не е напълно равномерна. Питинговата и пукнатината корозия може да доведе до локализирани скорости на проникване от два до пет пъти по-високи от общата скорост на корозия, особено при монтажни интерфейси и заварени зони.
Как дебелината на стената влияе на експлоатационния живот в дейонизирана вода
Връзката между дебелината на стената на обвивката 316 и експлоатационния живот при висока-температурна дейонизирана вода е приблизително линейна, като се приеме, че общата корозия доминира. За изискван експлоатационен живот от пет години при 95°C със скорост на корозия от 0,04 mm на година, необходимата допустима корозия е 0,20 mm. Добавяйки това към минимална дебелина на структурната стена от 0,7 mm, се получава необходимата първоначална дебелина от 0,9 mm. Обвивка от 1,2 mm би осигурила граница на безопасност от 0,3 mm над допустимата корозия, удължавайки потенциалния живот над осем години. Въпреки това, увеличаването на дебелината на стената също повишава температурата на външната повърхност за дадена плътност на вата. В дейонизираната вода по-високите повърхностни температури ускоряват експоненциално корозията. Обвивка от 2,0 mm, работеща при 10 W/cm² при 95°C вода, може да има температура на външната повърхност от 115°C, където скоростта на корозия е приблизително 0,08 mm на година-удвоена от тази на обвивката от 1,2 mm при температура на повърхността от 105°C. По-дебелата обвивка изисква повече средства за корозия, но също така корозира по-бързо. Това взаимодействие създава оптимална дебелина на стената за максимален експлоатационен живот, а не монотонна връзка. Изчисленията, базирани на публикувани данни за корозия, показват, че за 95°C дейонизирана вода при 10 W/cm², оптималната дебелина на стената на обвивката 316 за максимален експлоатационен живот е приблизително 1,4 mm. Под 1,0 mm допустимото корозионно действие е недостатъчно. Над 1,8 мм, ускорената корозия от по-високата температура на повърхността компенсира допълнителния материал.
Максимална препоръчителна дебелина на стената за дейонизирана вода
Следващата таблица предоставя препоръчителни максимални 316 дебелини на стените на обвивката за електрически потопяеми нагреватели в услуга с дейонизирана вода с висока-чистота. Стойностите предполагат непрекъсната работа, нива на разтворен кислород под 100 части на милиард и съпротивление над 1 megohm-сантиметър. За системи с по-високи нива на кислород или по-ниска чистота, скоростите на корозия може да са по-високи и трябва да се посочат по-тънки стени.
| Температура на дейонизираната вода | Препоръчителен диапазон на плътност във вата | Максимална препоръчителна дебелина на стената на обвивката 316 | Очакван експлоатационен живот при максимална дебелина | Режим на повреда при максимална дебелина | Алтернативна препоръка |
|---|---|---|---|---|---|
| 80 – 90°C | 8 – 12 W/cm² | 1,8 мм | 8 – 10 години | Общо изтъняване на корозията | Приемливо за-приложения с дълъг живот |
| 80 – 90°C | 12 – 15 W/cm² | 1,4 мм | 6 – 8 години | Корозия плюс топлинен стрес | Стандартна препоръка |
| 90 – 100°C | 6 – 10 W/cm² | 1,6 мм | 5 – 7 години | Питинг при повърхностни дефекти | Намалете плътността на вата за по-дълъг живот |
| 90 – 100°C | 10 – 12 W/cm² | 1,2 мм | 4 – 6 години | Обща корозия | Най-често срещаната спецификация |
| 100 – 120°C | 4 – 8 W/cm² | 1,2 мм | 3 – 5 години | Ускорена корозия | Помислете за титаниева обвивка |
| 100 – 120°C | 8 – 10 W/cm² | 1,0 мм | 2 – 3 години | Умора от корозия | Препоръчва се надграждане на сплавта |
| Над 120°C | Под 5 W/cm² | Не се препоръчва | Непредсказуем | Бърза локализирана корозия | Използвайте титан или сплав C-276 |
За всяко приложение с дейонизирана вода над 100°C, инженерите трябва силно да обмислят надграждане от неръждаема стомана 316 до титан или високо-никелова сплав като сплав 22. Титанът има скорост на корозия в дейонизирана вода с висока-температура, която е с два порядъка по-ниска от 316, което позволява много по-тънки стени и по-дълъг експлоатационен живот. По-високата първоначална цена на титан често се възстановява чрез намалена честота на смяна и елиминиран риск от метално замърсяване при чувствителни процеси.
Модификации на дизайна за удължаване на експлоатационния живот без увеличаване на дебелината на стената
Когато е необходима дебела обвивка 316 по механични причини-като ограничаване на налягането или устойчивост на вибрации-в приложение с дейонизирана вода, три модификации на дизайна могат да смекчат ускорената корозия от по-високата повърхностна температура. Първият и най-ефективен е да се намали плътността на вата. Намаляването наполовина на плътността на вата от 12 W/cm² на 6 W/cm² намалява температурата на външната повърхност на обвивката с приблизително 10–15°C, което намалява степента на корозия с 30–40%. Компромисът-е увеличена дължина или диаметър на нагревателя, за да се постигне същата обща мощност. Втората модификация е да се пасивира повърхността на обвивката след производството. Обработката с пасивиране с азотна киселина или лимонена киселина премахва свободното желязо и повърхностните замърсители, създавайки по-равномерен и стабилен пасивен филм, който е устойчив на започване на корозия. Пасивирани 316 обвивки в дейонизирана вода са показали нива на корозия с 20–30% по-ниски от не-пасивирани проби при контролирано тестване. Третата модификация включва контрол на химичния състав на водата. Поддържането на разтворен кислород под 5 части на милиард-постижимо с азотно покритие или вакуумна дегазация-намалява скоростта на катодната реакция и забавя корозията. Изключително ниските нива на кислород обаче могат също да насърчат нестабилността на пасивния филм, така че тесен прозорец от 5–50 части на милиард е оптимален. За повечето системи с дейонизирана вода тези модификации не са практични, което прави избора на дебелина на стената основен инструмент за управление на корозионния живот. Инженерите трябва да определят целевия експлоатационен живот на производителя на нагревателя и да поискат изчислено допустимо ниво на корозия въз основа на очакваната работна температура и плътност на ватовете, вместо да избират дебелина на стената само въз основа на механични правила.
