Линия травления нержавеющей стали заменила третий за два года погружной нагреватель 316L. Каждый нагреватель вышел из строя по одинаковой причине: -точечная коррозия вдоль сварных швов и на линии жидкости, за которой последовали сквозные-протечки в стенах, которые загрязнили ванну. Травильный раствор представлял собой смесь азотной и плавиковой кислот при температуре 55 градусов, химический состав, для которого нержавеющая сталь 316L не предназначена. Команда технического обслуживания предположила, что нержавеющей стали вполне достаточно, поскольку ванна представляла собой «просто кислоту». Неудачи доказали обратное.
Нержавеющая сталь 316L является материалом по умолчанию для многих погружных нагревателей. Он недорог, легко доступен и устойчив к широкому спектру мягких химикатов. Но при травлении смешанными кислотами,-особенно теми, которые содержат плавиковую кислоту, хлориды или высокие концентрации восстанавливающих кислот, 316L является неправильным выбором. ПТФЭ, несмотря на его более низкую теплопроводность и более высокую стоимость, обеспечивает срок службы, с которым не может сравниться нержавеющая сталь.
Почему 316L не справляется с травлением в смешанной кислоте
Нержавеющая сталь 316L имеет пассивную пленку из оксида хрома, обеспечивающую коррозионную стойкость. Пленка устойчива в окислительных средах и во многих слабых кислотах. Он разрушается в присутствии определенных агрессивных видов.
Плавиковая кислота наиболее опасна. Ионы фтора напрямую воздействуют на пассивную пленку, предотвращая ее реформирование. Как только пленка нарушается, лежащий под ней металл быстро подвергается коррозии. Коррозия является локализованной-питтинговой, щелевой и -разъедающей швами-, а не равномерной. Нагреватель может потерять толщину стенок на небольшом участке и выйти из строя, в то время как остальная часть оболочки будет выглядеть неповрежденной.
Хлориды вызывают аналогичный ущерб, хотя механизм иной. Ионы хлорида проникают в пассивную пленку в слабых местах и вызывают точечную коррозию. Ямы углубляются и могут проникать сквозь стену. Смешанные азотно--фтороводородные травильные ванны содержат оба вида, и их комбинация более агрессивна, чем любой из них по отдельности.
| Химия | Скорость коррозии 316L | Основной режим атаки | Ожидаемый срок службы | Пригодность ПТФЭ |
|---|---|---|---|---|
| 10% азотная кислота, 50 градусов | <0.1 mm/year | Равномерный, мягкий | >10 лет | Хороший |
| 10% азотная + 2% HF, 50 градусов | 1,0–5,0 мм/год | Питтинг, атака сварного шва | 3–10 месяцев | Отличный |
| 15% азотная + 3% HF, 55 градусов | 3,0–10,0 мм/год | Сильная питтинговая коррозия | 1–4 месяца | Отличный |
| 20% HCl, 60 градусов | 5,0–15,0 мм/год | Ямка, щель | <2 months | Отличный |
| 10% серная + 2% HF, 60 градусов | 2,0–8,0 мм/год | Атака по сварной-линии | 2–8 месяцев | Отличный |
Скорость коррозии нержавеющей стали 316L при кислотном травлении в сравнении с пригодностью ПТФЭ
Уязвимость сварной-линии
Погружные нагреватели из нержавеющей стали изготавливаются со сварными соединениями-оболочки-с-фланцем, оболочкой-с-клеммой, а иногда и продольными сварными швами. Процесс сварки изменяет металлургию в зоне термического-воздействия, создавая области, которые менее устойчивы к коррозии, чем основной металл.
При травлении смешанной кислотой в первую очередь разрушаются линии сварного шва. В зоне термического-воздействия может быть пониженное содержание хрома из-за выделения карбидов или же в ней могут присутствовать остаточные напряжения, способствующие растрескиванию. Ионы фтора и хлорида преимущественно атакуют эти ослабленные участки.
Погружные нагреватели из ПТФЭ не имеют линий сварки в смачиваемой зоне. Оболочка представляет собой непрерывную экструзию или формование полимера, а фланцевое соединение механически герметизируется или химически склеивается, а не сваривается. Это устраняет уязвимость сварной-линии, которая ограничивает срок службы нержавеющей стали в агрессивных химикатах травления.
Теплопередача и компромисс между размерами-
Нержавеющая сталь 316L имеет теплопроводность примерно 16 Вт/м·К-примерно в 64 раза выше, чем у ПТФЭ. Нагреватель из нержавеющей стали может работать при мощности 3–5 Вт/см² без перегрева, тогда как нагреватель из ПТФЭ ограничен 1,0–1,5 Вт/см² в большинстве травильных ванн.
Практическим следствием является размер. Для обогревателя из нержавеющей стали мощностью 6 кВт может потребоваться всего 1500 см² поверхности оболочки при компактном комплекте. Нагреватель из ПТФЭ мощностью 6 кВт и плотностью 1,2 Вт/см² требует площади на 5000 см²-более чем в три раза большей. В резервуарах с ограниченным пространством для нагревателя вариант из нержавеющей стали может подойти там, где нет ПТФЭ.
| Материал нагревателя | Теплопроводность | Безопасная плотность ватт в кислотной смеси | Площадь поверхности для 6 кВт | Относительный след |
|---|---|---|---|---|
| нержавеющая сталь 316L | 16 W/m·K | 3–5 Вт/см² | 1200–2000 см² | Компактный |
| ПТФЭ | 0.25 W/m·K | 1,0–1,2 Вт/см² | 5000–6000 см² | В 3–4 раза больше |
| Титан | 22 W/m·K | 2–4 Вт/см² (ограничено ВЧ) | 1500–3000 см² | Компактный |
| ПВДФ | 0.20 W/m·K | 0,8–1,2 Вт/см² | 5000–7500 см² | Больше |
Сравнение теплопередачи и размеров погружных нагревателей при травлении смешанной кислотой
Когда нержавеющая сталь все еще имеет смысл
Нержавеющая сталь не всегда является неправильным выбором. В мягких травильных растворах-разбавленная азотная кислота без фторидов и хлоридов 316L работает хорошо и стоит дешевле, чем ПТФЭ. В таких случаях преимуществами являются более высокая удельная мощность и компактные размеры нержавеющей стали.
Точкой принятия решения является наличие агрессивных видов. Если ванна содержит плавиковую кислоту, хлориды или высокие концентрации восстанавливающих кислот, нержавеющая сталь — недолговечный- вариант. Если ванна представляет собой слабую окислительную кислоту, подойдет нержавеющая сталь.
Сравнение общей стоимости с течением времени
Закупочная цена нагревателя 316L обычно на 40–60 % ниже, чем сопоставимого нагревателя из ПТФЭ. Но при травлении смешанной кислотой нагреватель из нержавеющей стали может прослужить всего 3–10 месяцев, а нагреватель из ПТФЭ — 3–5 лет.
В течение пяти-лет вариант из нержавеющей стали требует 6–20 замен, а вариант из ПТФЭ — 1–2. Трудозатраты и время простоя при каждой замене,-сливе бака, снятии вышедшего из строя нагревателя, установке нового и -переквалификации ванны- существенно увеличивают стоимость выбора нержавеющей стали.
Когда стандартные обогреватели не могут поместиться на требуемую площадь поверхности
Емкости для травления смешанной кислотой с ограниченным периферийным пространством часто не могут вместить стандартные погружные нагреватели из ПТФЭ с низкой плотностью мощности, которую требует химия. Для работы мощностью 6 кВт при 1,0 Вт/см² требуется площадь оболочки на 6000 см²-больше, чем у одного прямого или L-образного блока в пределах типичных размеров резервуара.
Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с многоходовой-проходной или периметральной-конструкцией распределяет поверхность нагрева по резервуару, сохраняя при этом низкую плотность мощности. Для процесса спецификации требуется химический состав ванны, рабочая температура, размеры резервуара и требуемая мощность. На предприятиях, где используются линии травления смешанной кислотой, этот-специфичный подход обеспечивает химическую стойкость ПТФЭ в конфигурации, соответствующей доступному пространству.
