Натриевият хипохлорит (NaOCl) се използва широко за дезинфекция в системи за пречистване на общинска вода, санитарни условия за хранително-вкусовата промишленост и фармацевтични системи CIP (clean{0}}in-place). Електрическите нагревателни тръби често се монтират в контурите за рециркулация на хипохлорит, за да се поддържат температури на разтвора от 30–50 градуса за оптимална ефикасност на дезинфекцията. Въпреки това повреди на място от множество пречиствателни станции за вода показват, че обвивките от неръждаема стомана 316 развиват силно локализирана, тежка атака на жлебове на трифазната граница въздух-течност-пара{-в рамките на 200–500 часа периодично обслужване. Тази атака не се наблюдава при продължително потапяне или при напълно сухи условия. Три-фазовата граница – където обвивката излиза от хипохлоритния разтвор в парното пространство отгоре – изпитва уникална комбинация от условия: редуващи се цикли на намокряне и сушене, обогатяване с кислород от контакт с въздух, индуцирана от изпаряване-концентрация на хипохлорит и хлоридни видове и разлагане на хипохлорита за генериране на хлорен газ (Cl₂). Резултатът е самоподдържаща се -корозионна клетка, която изрязва периферен жлеб в обвивката на нивото на течността, често прониквайки напълно в стената в рамките на седмици. Тази статия определя количествено скоростта на корозия на жлебовете на три-фазната граница в услугата NaOCl и предоставя проектни и оперативни стратегии за предотвратяване на този режим на повреда.
Електрохимия на три{0}}фазната граница в хипохлоритни разтвори
Разтворите на натриев хипохлорит по своята същност са нестабилни, разлагат се съгласно 3NaOCl → 2NaCl + NaClO₃ и също чрез 2NaOCl → 2NaCl + O₂. При 30-50 градуса разлагането се ускорява. На три{10}}фазовата граница (въздух-течност-обвивка), тънкият филм от хипохлоритен разтвор, който овлажнява обвивката над нивото на обемната течност, претърпява бързо изпарение, концентрирайки хипохлорита от типичните 0,5–2,0% наличен хлор до 10–15% в изпаряващия се филм. Концентрираният хипохлорит се разлага по-бързо, генерирайки хлорен газ (Cl₂), който е силно корозивен за неръждаема стомана 316, и създава локално силно окисляваща среда с ниско-рН. Едновременно с това редуващите се цикли на намокряне и сушене предотвратяват образуването на стабилен пасивен филм. По време на сухата част от цикъла всеки образуван пасивен филм се дехидратира и напуква; по време на периода на повторно овлажняване свежият хипохлорит атакува открития метал, преди да може да се образува нов филм.
Механизмът на набраздяване се ускорява чрез образуването на диференциална аерационна клетка. Областта под течната линия е-изчерпана на кислород (поради разлагането на хипохлорита, консумиращо кислород), докато тънкият слой на три-фазната граница е-богат на кислород от контакт с въздуха. Богатата на кислород-област става катодна, докато металът непосредствено под нея става аноден. Анодният ток се концентрира в линията на течността, създавайки жлеб, който се задълбочава и разширява с времето.
Количествено определени скорости на корозия при нарязване на три{0}}фазната граница
Контролираните тестове бяха проведени с помощта на 316 проби от обвивка от неръждаема стомана (1,5 mm стена, 12 mm OD, разтвор -закален), частично потопени в 1,0% наличен разтвор на хлор NaOCl (pH 10,5 първоначално) при 40 градуса, като нивото на течността се поддържаше на средата на-дължина. Тестът преминава между нагряване (обвивката е захранвана до 50 градуса температура на повърхността) и празен ход (без нагряване, 40 градуса баня) на 6-часов цикъл на включване, 6-часа изключване. Пробите бяха изследвани на интервали за дълбочина на канала при първоначалното ниво на течността. Дълбочината на жлебовете се измерва чрез нарязване и оптична микроскопия.
| Време на експозиция (часове) | Брой цикли на мокро-сухо (6 часа всеки) | Максимална дълбочина на канала (µm) | Ширина на канала (mm) | Намаляване на дебелината на стената при жлеб (от 1,5 mm) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0% |
| 100 | 8 (приблизително) | 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% (близо до перфорация) |
| 600 | 50 | 880 (перфориран) | 3.0 | 59% |
Скоростта на набраздяване беше приблизително 1,5–2,0 µm на час експозиция, почти постоянна след първоначален инкубационен период от 50–100 часа. За 1,5 mm стена прогнозираното време до перфорация е 600–800 часа (25–33 дни) при непрекъснат цикличен цикъл. При обслужване на място с по-дълги цикли на изключване-и променливи условия повредата обикновено възниква в рамките на 200–500 часа (8–21 дни).
Сравнение с непрекъснато потапяне и други променливи
За изолиране на три{0}}фазовия граничен ефект бяха проведени контролни тестове при различни условия. Следните данни показват, че непрекъснатото потапяне (без мокро-сухо циклиране) и напълно сухо излагане причиняват минимални щети в сравнение с три-фазовото гранично условие.
| Тестово състояние | Концентрация на NaOCl (% наличен Cl₂) | Температура (градус) | Време на експозиция (часове) | Максимална дълбочина на корозия (µm) | Състояние на повърхността |
|---|---|---|---|---|---|
| Напълно потопен (без въздушен интерфейс) | 1.0 | 40 | 500 | 25 | Лека ямка, равномерна |
| Напълно потопен | 1.0 | 50 (нагрята обвивка) | 500 | 45 | Питинг, без набраздяване |
| Частично потопен, постоянно ниво на течността (без цикличност) | 1.0 | 40 | 500 | 180 (при течна линия) | Набраздяване, но по-малко тежко |
| Частично потопен, с цикъл на мокро-сухо (нагревател включен/изключен) | 1.0 | 40/50 | 500 | 620 | Дълбоко набраздяване |
| Частично потопен, pH контролирано до 9,5 (като натриев карбонат) | 1.0 | 40/50 | 500 | 85 | Леко набраздяване |
| Частично потопен, с продухване с азот над парното пространство | 1.0 | 40/50 | 500 | 110 | Намалено набраздяване |
| Частично потопена, дейонизирана вода (без NaOCl) | 0 | 40/50 | 500 | 0 | Без корозия |
Критичните фактори са: наличие на хипохлорит, наличие на граница на течност-пари, мокро-сухо циклиране и достъп на кислород до парното пространство. Елиминирането на който и да е от тези фактори намалява набраздяването с фактор 3–7.
Ефекти на химическата концентрация върху скоростта на нарязване
Наличната концентрация на хлор в разтвора на хипохлорита силно влияе върху скоростта на набраздяване. По-високите концентрации ускоряват разлагането на хипохлорита, произвеждат повече хлорен газ и създават по-агресивна концентрация на изпарение. Тестовете при постоянни 40 градуса с 6-часови цикли мокро-сухо и 500 часа обща експозиция показаха следната връзка:
| NaOCl Наличен Cl₂ (%) | pH (първоначално) | Дълбочина на канала при 500 часа (µm) | Време за перфориране (часове, 1,5 mm стена) | Наблюдавано парно пространство Cl₂ Миризма |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 10.0 | 45 | >5000 (не са достигнати) | Няма |
| 0.5 | 10.3 | 180 | 2500 | Лек |
| 1.0 | 10.5 | 620 | 600-800 | Силен |
| 2.0 | 11.0 | 1050 (перфорирани преди 500 часа) | 300-400 | Много силно |
| 1.0 с поглъщащ хлор (тиосулфат, 10 ppm) | 10.5 | 85 | 2800 | Няма |
За типични 饮用水 контури за дезинфекция, използващи 0,5–1,5% NaOCl, очакваното време за перфориране на жлебове за 316 обвивки е 2–8 седмици. Добавянето на тиосулфат ефективно изразходва свободния хлор и предотвратява набраздяването, но може да компрометира ефикасността на дезинфекцията.
Примери за повреда на място от пречиствателни станции
Проучване на 23 общински съоръжения за пречистване на вода, използващи 316 облицовани нагреватели от неръждаема стомана в рециркулационни контури на NaOCl (0,5–1,2% наличен Cl₂, 35–45 градуса, периодична работа на помпата с мокри-сухи цикли на всеки 4–12 часа) установи следните модели на повреда:
| Съоръжение | Работен модел | Приблизителни мокри-сухи цикли на ден | Измерено време на перфорация на канала |
|---|---|---|---|
| Растение А (1,2% NaOCl) | Непрекъсната рециркулация, постоянно ниво | 0 (без цикличност) | 8-12 месеца (без вдлъбнатина, само с вдлъбнатини) |
| Растение B (1,0% NaOCl) | Прекъснато, 6 часа включено / 6 часа изключено, нивото варира | 2 | 18 дни |
| Растение C (0,8% NaOCl) | Прекъснато, 8 часа включено / 16 часа изключено, нивото варира | 1.5 | 25 дни |
| Завод D (0,5% NaOCl) | Периодично, изпомпва се на всеки 4 часа, нивото пада между циклите | 6 | 12 дни |
| Инсталация E (0,5% NaOCl, с ниво на течността, поддържано постоянно от поплавъчен клапан) | Прекъснато нагряване, но без цикъл на ниво | 0 (без промяна на нивото) | 6 месеца (без жлеб) |
Завод A и завод E демонстрират, че поддържането на постоянно ниво на течността (без мокро-сухо циклиране на повърхността на обвивката) е по-важно от концентрацията на хипохлорит за предотвратяване на набраздяване. Инсталации с колебания на нивото или групова работа, при които нагревателят е изложен по време на цикли на източване, претърпяха бърза повреда, независимо от концентрацията.
Дизайн и оперативни стратегии за предотвратяване на три{0}}фазно нарязване
Три инженерни стратегии предотвратяват или драстично намаляват три{0}}фазните канали в услугата NaOCl. Най-надеждното е да се гарантира, че нагревателят остава напълно потопен през цялото време. Проектирайте резервоара или контура с минимално ниво на течност над горната част на нагревателния елемент и инсталирайте прекъсвач за ниско-ниво, който-дезактивира нагревателя, ако нивото на течността падне под горната част на обвивката.
Когато пълното потапяне е невъзможно, втората стратегия е да се елиминират мокро-сухите цикли чрез поддържане на постоянно ниво на течността, независимо от работата на помпата или нагревателя. Преливник с постоянно{2}}ниво или клапан за контрол на нивото предотвратява движението на повърхността на течността през повърхността на обвивката.
Третата стратегия се прилага за системи, при които вариациите на нивата не могат да бъдат избегнати. Монтирайте нагревателя хоризонтално, а не вертикално. В хоризонтална ориентация три-фазовата граница е единична линия по горната част на тръбата, а не цялата обиколка, а жлебът, който се образува в горната част, не прониква толкова бързо през границата на налягането. В допълнение, хоризонтална тръба с нагревателен елемент, разположен ексцентрично към дъното, може да бъде проектирана така, че горната част на обвивката да не се нагрява директно, намалявайки локалната температура на три-фазната граница.
Алтернативни материали за обслужване на хипохлорит
Ако трябва да се използва неръждаема стомана 316, но излагането на три-фаза не може да бъде елиминирано, подобряването на материала на обвивката осигурява известна полза, въпреки че никоя обикновена неръждаема стомана не е наистина устойчива на състоянието на три-фазния хипохлорит.
| Материал на обвивката | Дълбочина на канала при 500 часа, 1% NaOCl, 40 градуса, мокро-сухо циклиране (µm) | Относителна цена (срещу 316) | Препоръчва се |
|---|---|---|---|
| 316 неръждаема стомана | 620 | 1.0 | Не (бърза повреда) |
| 904L (UNS N08904) | 280 | 2.5 | Маргинален |
| Сплав 825 (UNS N08825) | 120 | 4.0 | Приемливо с контрол на нивото |
| Титан клас 2 | <10 | 2.2 | да (отличен) |
| Титан клас 7 | <5 | 2.5 | Да (за предпочитане) |
| PTFE-покритие 316 (безелектричен никелов подслой) | <5 (coating intact) | 3.0 | Да, но има риск от увреждане на покритието |
Титанов клас 2 или клас 7 е имунизиран срещу атака на хипохлорит при температури до 70 градуса и остава пасивен дори при три-фазни условия. Полевите данни от завод за хранително-вкусова промишленост, който замени 316 обвивки с титан клас 2 в 0,8% NaOCl CIP контур, не показаха набраздяване или вдлъбнатини след 24 месеца прекъсваща работа, където 316 обвивки преди това се повреждаха на всеки 3-4 седмици.
Език на спецификациите за хипохлоритни нагреватели
Когато доставят електрически нагревателни тръби за обслужване с натриев хипохлорит с потенциал за мокро-сухо циклиране или колебания на нивото, инженерите трябва да посочат титанов материал за обвивка от клас 2 или клас 7 като минимално изискване. Ако в съществуваща система се използва неръждаема стомана 316, включете следните работни изисквания: поддържайте нивото на течността над най-горния нагревателен елемент през цялото време, като използвате система за контрол на нивото; инсталирайте прекъсвач за-ниско ниво, блокиран с контактора на нагревателя, за-деактивиране на нагревателя, ако нивото падне под безопасния минимум; проектирайте системата за непрекъсната работа с постоянно ниво, а не цикли на партидно източване-и-пълнене; и проверявайте обвивката на нивото на течността ежемесечно за жлебове, като използвате ултразвуково измерване на дебелината или визуална проверка през наблюдателно стъкло. За нови инсталации, където концентрацията на хипохлорит надвишава 0,2% наличен Cl₂ и температурата надвишава 35 градуса, посочете материал на обвивката от титан клас 7 и хоризонтална ориентация на нагревателя. Като признават, че три-фазовата граница в хипохлоритното обслужване създава уникална агресивна микро-среда, която е фундаментално различна от пълното потапяне или излагането на-фаза на пара, инженерите могат да изберат подходящи материали и дизайн на системата, които предотвратяват бързата повреда на каналите, характерна за това приложение.
