¿En qué combinación específica de concentración de cáustico y temperatura de la superficie de la vaina una vaina de acero inoxidable 316 de 1,6 milímetros pasa de corrosión pasiva a activa en servicio de hidróxido de sodio para sistemas CIP?

Los ingenieros de procesos que construyen calentadores eléctricos de inmersión para sistemas limpios-in-in situ para el procesamiento de alimentos, la fabricación de productos farmacéuticos y la producción de bebidas utilizan hidróxido de sodio como principal producto químico de limpieza. Las soluciones CIP típicas consisten en 1-3 % de NaOH a 70-85 grados. En esta situación, se forma la película pasiva y, en general, la resistencia a la corrosión del acero inoxidable 316 es buena. Sin embargo, en concentraciones más altas o temperaturas superficiales más altas debido a la densidad de vatios del calentador, la película pasiva puede romperse y puede ocurrir corrosión activa con tasas que superan 1 milímetro por año. Los espesores de pared típicos de los calentadores CIP son de 1,6 mm, lo que ofrece un compromiso razonable entre el margen de corrosión y la capacidad de respuesta térmica. El artículo establece la concentración de cáustico y la temperatura de la superficie de la vaina donde una vaina 316 de 1,6 mm cambia de corrosión pasiva a activa en servicio de hidróxido de sodio.

316 Transición del hidróxido de sodio de pasivo a activo
El hidróxido de sodio es único entre las soluciones alcalinas porque el comportamiento de corrosión del acero inoxidable 316 exhibe una clara transición pasiva-activa que depende tanto de la concentración como de la temperatura. En soluciones diluidas por debajo del 5 % de NaOH y temperaturas inferiores a 80 °C, el 316 permanece pasivo con tasas de corrosión inferiores a 0,05 mm por año. A medida que aumenta la concentración o la temperatura, la película pasiva se vuelve inestable. Con NaOH al 10%, la temperatura de transición es de aproximadamente 90 grados. Disminuye a 75C 20% NaOH. Con NaOH al 30%, el valor cae a 60 grados. Con NaOH al 50%, por encima de 40 grados, el rango pasivo desaparece por completo. La temperatura de la superficie de la funda suele ser entre 15 y 30 grados más alta que la temperatura de la solución a granel para un calentador de inmersión debido a la densidad de vatios aplicada. Un sistema CIP con NaOH al 3 % y una temperatura total de 80 grados con un calentador de 8 W/cm² proporciona una temperatura de la superficie de la vaina de 95 a 105 grados. El recubrimiento pasivo del 316 puede romperse a esta temperatura de la superficie y la corrosión activa ocurre a tasas de 0,5 a 2 mm por año. La corrosión activa perforará una funda de 1,6 mm en 1 a 3 años; sin embargo, la operación pasiva brindará 10+ años de servicio.

Umbrales de transición críticos para vaina de 1,6 mm
Las pruebas electroquímicas de 316 muestras en soluciones de hidróxido de sodio a temperaturas relacionadas con el servicio CIP han demostrado que las siguientes combinaciones de concentración de cáustico a granel y temperatura de la superficie de la vaina causarán la transición pasiva-a-activa para una pared de 1,6 mm. Los valores corresponden al pulido de superficies estampado estándar y una densidad de potencia típica de 6 a 8 W/cm².

Concentración de hidróxido de sodio (%) en peso Temperatura de transición de pasiva a activa Temperatura mínima de la superficie de la vaina para corrosión activa Temperatura total segura para vaina de 1,6 mm a 8 W/cm2 (aumento de 25 grados) Tasa de corrosión esperada en régimen activo
1 – 2% >100 grados 100 grados 75 grados 0,3 – 0,7 mm/año
2 – 3% 95 – 100 grados 95 – 100 grados Hasta 70 – 75 grados 0,5 – 1,0 mm/año
3 – 5 % 85 – 95 grados 85 – 95 grados Hasta 60 – 70 grados 0,8 – 1,5 mm/año
5 – 7 % 75 – 85 grados 75 – 85 grados Hasta 50 – 60 grados 1,0 – 2,0 mm/año
7 – 10 % 65 – 75 grados 65 – 75 grados Hasta 40 – 50 grados 1,5 – 3,0 mm/año
10 – 15 % 55 – 65 grados 55 – 65 grados Hasta 30 – 40 grados 2,0 – 4,0 mm/año
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/año
Para un sistema CIP con una temperatura total de 80 grados y 2 % de NaOH que utiliza una vaina de 1,6 mm a 8 W/cm2, la temperatura de la superficie de la vaina es de alrededor de 105 grados, mayor que el umbral de transición de 100 grados. Se producirá corrosión activa y la funda puede perforarse en 1 o 2 años. Al reducir la densidad de vatios a 4 W/cm², se reduce el aumento de la temperatura de la superficie a entre 12 y 15 grados, mientras que la temperatura de la funda se mantiene entre 92 y 95 grados, que está por debajo del umbral de 100 grados. Este cambio permite una vida útil de 5 a 10 años.

Envolvente de funcionamiento seguro con funda de 1,6 milímetros en servicio CIP cáustico
La siguiente tabla proporciona la concentración máxima permitida de hidróxido de sodio para una funda 316 de 1,6 mm a diversas temperaturas aparentes y densidades de vatios. Para ciertos valores de concentración, la temperatura de la superficie de la funda se mantiene al menos 5 grados por debajo de la temperatura de transición pasiva-a-activa.

Solución a granel Temperatura Densidad en vatios 4 W/cm2 (aumento de 12 grados) Densidad en vatios 6 W/cm2 (aumento de 18 grados) Densidad en vatios 8 W/cm2 (aumento de 25 grados) Densidad en vatios 10 W/cm2 (aumento de 32 grados) 60 grados Seguro hasta 10 % NaOH Seguro hasta 7 % NaOH Seguro hasta 5 % NaOH Seguro hasta 3 % NaOH 65 grados Seguro hasta 8 % NaOH Porcentaje seguro para 5 NaOH Seguro hasta 3% NaOH Seguro hasta 2% NaOH 70 grados Seguro hasta 6% NaOH Seguro hasta 4% NaOH Seguro hasta 2% NaOH No seguro por encima del 1% 75oC No seguro por encima del 5% NaOH máx. 3%, seguro NaOH Seguro hasta el 1,5% NaOH No seguro por encima del 1% 80 grados Seguro hasta el 4% de NaOH Seguro hasta el 2% NaOH No seguro por encima del 1,5% No seguro 85 grados Seguro hasta 3% NaOH Hasta 1,5% NaOH seguro No seguro No seguro
90 grados Seguro hasta 2% NaOHNo seguro por encima del 1% No seguro No seguro
Para un ciclo CIP típico a 80 grados con NaOH al 2%, una vaina 316 de 1,6 mm es segura solo con densidades de vatios de 4 W/cm2 o menos. Con una densidad de vatios industrial de 8 W/cm², el calentador estará en régimen de corrosión activa y se debe predecir una vida útil restringida de 1 a 3 años en lugar de los 5 a 10 años que se suele suponer.

Cambios en el diseño de operaciones pasivas
Se pueden realizar tres modificaciones de diseño para preservar el funcionamiento pasivo sin cambiar el material de la funda en condiciones de proceso CIP que, de otro modo, forzarían una funda 316 de 1,6 mm a sufrir corrosión activa (p. ej., concentraciones o temperaturas cáusticas): El primer método consiste en aumentar la longitud calentada del elemento para reducir la densidad de vatios. Duplicar la longitud (de 1 ma 2 m) reduce el aumento de temperatura de la superficie de la funda de 25 grados a 12 grados y vuelve al funcionamiento pasivo cuando la densidad de vatios se reduce de 8 W/cm2 a 4 W/cm.2 . El segundo ajuste es para mejorar la circulación sobre la superficie del calentador. Para la misma densidad de vatios, el aumento de la temperatura de la superficie se puede reducir a 8 a 10 grados a una velocidad de 2 a 3 m/s utilizando una bomba de circulación CIP. El cambio final es la adición de un inhibidor de corrosión a la solución cáustica. Los silicatos o fosfatos de 100 a 200 ppm pueden estabilizar la película pasiva en 316 y aumentar la temperatura de transición de 10 a 20 grados. Pero estos cambios probablemente no serán suficientes para los sistemas CIP que requieren NaOH al 5 % a 80 °C. En estos casos, el ingeniero debe especificar el uso de una aleación a base de níquel-como la aleación 600 o la aleación 825, que son pasivas en soluciones cáusticas con una concentración de hasta el 50 % a temperaturas superiores a 100 grados. El costo de actualizar de 316 a Alloy 825 suele ser 2-3 veces mayor, pero la vida útil aumenta de 1 a 2 años a 10 a 15 años. Siempre informe al proveedor cuando especifique calentadores para servicio CIP: la concentración máxima de cáustico, la temperatura general y el tiempo de ciclo esperado. Cuando un fabricante sugiere 316 para NaOH al 5% a 85 grados C sin ninguna consideración de transición pasivo-activa o reducción de potencia para la densidad de vatios, ese no es un asesoramiento técnico apropiado. El cambio de corrosión pasiva a activa en el hidróxido de sodio es abrupto y está en función de la temperatura. Una vaina 316 de 1,6 mm de espesor que opera justo por debajo del umbral puede persistir durante diez años; uno que opere un poco más allá puede fallar en 18 meses. Es necesario un análisis térmico preciso de la temperatura de la superficie de la vaina para una especificación confiable.