¿A qué combinación específica de concentración de ácido nítrico y temperatura una vaina de acero inoxidable 316 de 1,2 milímetros requiere una reducción de potencia por debajo de 10 vatios por centímetro cuadrado para evitar el ataque intergranular en el servicio de tanque de pasivación?

En el acabado de metales y la fabricación aeroespacial, los ingenieros de procesos suelen utilizar ácido nítrico como medio para calentadores eléctricos de inmersión en tanques de pasivación de acero inoxidable. Las soluciones de pasivación, normalmente entre un 20 y un 40 % de ácido nítrico, se suelen aplicar a una temperatura de entre 40 y 60 grados para eliminar el hierro libre y crear una capa homogénea de óxido de cromo en las piezas de acero inoxidable.. 316 El acero inoxidable tiene una buena resistencia a la corrosión en estas condiciones, ya que el ácido nítrico es un ácido oxidante que mantiene la película pasiva. Sin embargo, a temperaturas elevadas o en presencia de cloruros o productos químicos reductores, puede ocurrir un ataque intergranular, especialmente en áreas soldadas o sensibilizadas de la funda. Los calentadores de tanque de pasivación generalmente se construyen con un espesor de pared de 1,2 mm para adaptarse a los requisitos de espacio y proporcionar una rápida transferencia de calor. El artículo indica la combinación particular de concentración de ácido nítrico y temperatura a la que se debe reducir la potencia de una vaina 316 de 1,2 mm para una densidad de potencia < 10 W/cm2 para evitar el ataque intergranular.

Mecanismo de ataque intergranular en 316 expuestos al ácido nítrico
The intergranular attack of 316 in nitric acid is caused by the loss of chromium at the grain boundaries due to sensitisation by welding or earlier heat exposure. Nitric acid preferentially attacks these chromium-depleted zones and causes grain boundary corrosion, which can lead to full disintegration of the metal. The vulnerability to intergranular attack in nitric acid is concentration and temperature dependent Significant intergranular assault is observed in 20% nitric acid only at 70°C. In 30% nitric acid the threshold falls to 60° C. attack at above 50°C in 40% nitric acid. Attack is performed in 50% nitric acid >40 grados. El punto débil de una funda de 1,2 mm con una brida o accesorio soldado es la zona afectada por el calor de soldadura-. La densidad de vatios aplicada da como resultado una temperatura de la superficie de la vaina que normalmente es entre 10 y 20 grados más alta que la temperatura total del ácido. En ácido nítrico al 40%, a una temperatura total de 55 grados, la superficie de la vaina puede alcanzar entre 70 y 75 grados, lo que está por encima del umbral de 50 grados para el ataque intergranular. La menor densidad de vatios minimiza el aumento de la temperatura de la superficie y puede mantener la zona de soldadura por debajo del umbral de ataque.

Umbrales críticos de reducción de potencia para chaqueta de 1,2 mm
Las siguientes limitaciones de densidad de vatios se aplican a un revestimiento de pared de 1,2 mm para evitar el ataque intergranular en la zona afectada por el calor según las pruebas de inmersión de 316 muestras soldadas en ácido nítrico a temperaturas y concentraciones relevantes para el servicio de pasivación. Los valores corresponden a un aumento de 15 a 20 grados en la temperatura de la superficie a 10 W/cm², escalando linealmente con la densidad de vatios.

Temperatura del ácido a granel Temperatura máxima de la superficie de la vaina para evitar el ataque intergranular Concentración de ácido nítrico Densidad de vatios máxima permitida para una vaina de 1,2 mm (aumento de 15 grados a 10 W/cm2) Acción recomendada 20 % 40 grados 70 grados 20 W/cm2 Seguro con cualquier densidad de vatios práctica 20 % 50 grados 70 grados 13 W/cm2 Reducción recomendada por encima de 13 W/cm2
20% 60°C 70°C 7 W/cm² Derating needed 20%>65 grados 70 grados < 5 W/cm² Utilice 316L o material recocido
30% 40 grados 60 grados 13 W/cm2 Seguro con una densidad de vatios modesta
30% 45 grados 60 grados 10 W/cm2 Marginal a 10 W/cm2
30% 50 grados 60 grados 7 W/cm² Reducción necesaria 30% > 55 grados 60 grados < 5 W/cm² Utilice 316L o una mejora de aleación
40% 30°C 50°C 13 W/cm² Acceptable 40% 35°C 50°C 10 W/cm² Marginal 40% 40°C 50°C 7 W/cm² Derating needed 40%>45 grados > 50 grados < 5 W/cm² Utilice 316L o una mejora de aleación
50 % 25 grados 40 grados 10 W/cm2 Marginal 50 % 30 grados 40 grados 7 W/cm2 Reducción necesaria 50 % Más de 35 grados 40 grados Menos de 5 W/cm² 316 No recomendado
Para un tanque típico de pasivación con ácido nítrico al 30 % con una temperatura total de 50 grados, una vaina 316 de 1,2 mm debe reducirse a alrededor de 7 W/cm2 para mantener la superficie de la vaina por debajo de 60 grados. La superficie de la funda está a aproximadamente 65 grados C utilizando la densidad de vatios industrial normal de 10 W/cm.2 . El ataque intergranular en la zona afectada por el calor de la soldadura-puede desarrollarse en 3 a 12 meses.

Entorno operativo seguro para vaina de 1,2 mm en servicio de pasivación
La temperatura máxima aceptable de ácido nítrico a granel para una vaina 316 de 1,2 mm para varias densidades de vatios se proporciona en la siguiente tabla, suponiendo una zona de soldadura de grado 316L (bajo en carbono) o recocida para minimizar el riesgo de sensibilización.

Concentración de ácido nítrico Densidad en vatios 5 W/cm2 (aumento de 8 grados) Densidad en vatios 8 W/cm2 (aumento de 12 grados) Densidad en vatios 10 W/cm2 (aumento de 15 grados) Densidad en vatios 12 W/cm2 (aumento de 18 grados)
20% Seguro hasta 62 grados Seguro hasta 58 grados Seguro hasta 55 grados Seguro hasta 52 grados
Seguro hasta 57 grados 25% Seguro hasta 53 grados Seguro hasta 50 grados Seguro hasta 47 grados
30% Seguro hasta 52 grados Seguro hasta 48 grados Seguro hasta 45 grados Seguro hasta 42 grados 35% Seguro hasta 47 grados Seguro hasta 43 grados Seguro hasta 40 grados Seguro hasta 37 grados
40% Hasta 42 grados Hasta 38 grados Hasta 35 grados Hasta 32 grados 45% Hasta 37 grados Hasta 33 grados Hasta 30 grados Hasta 27 grados
50% Seguro hasta 32 grados Seguro hasta 28 grados Seguro hasta 25 grados No recomendado
Para un tanque de pasivación con 35 % de ácido nítrico y una temperatura total de 45 grados, una funda 316 de 1,2-mm a 10 W/cm² daría una temperatura superficial de aproximadamente 60 grados, que está más allá del límite seguro de 47 grados mencionado anteriormente. El calentador sería susceptible de sufrir un ataque intergranular. Al reducir la densidad de vatios a 5 W/cm2, la temperatura de la superficie se mantiene a 53 grados, lo que está por debajo del límite seguro de 57 grados para un 25 % de ácido, pero más allá del límite de 47 grados para un 35 % de ácido, lo que indica que se requiere una combinación de reducción de potencia y modificación de la concentración.

Cambios de diseño para evitar el ataque intergranular.
Hay cuatro ajustes de diseño disponibles para evitar el ataque intergranular si las condiciones del proceso de pasivación exigen concentraciones de ácido nítrico y temperaturas que excederían los límites aceptables para una funda 316 de 1,2 mm de espesor. La primera es especificar 316L (bajo en carbono), no 316 ordinario. El menor contenido de carbono limita la precipitación de carburo de cromo durante la soldadura, por lo tanto, la zona afectada por el calor-es insensible a la sensibilización incluso a temperaturas más altas.. 316L aumenta el umbral de ataque intergranular 10-15 grados por encima del 316 normal. La segunda alteración es el recocido posterior a la soldadura de la zona de unión de la brida. El recocido por inducción localizado a 1050 grados y el enfriamiento disuelven los carburos de cromo y restauran la resistencia a la corrosión. El siguiente cambio es reducir la temperatura del ácido en masa entre 5 y 10 grados. Pequeñas disminuciones de temperatura pueden aumentar considerablemente la vida útil sin afectar la eficacia de la pasivación. Cuarto, aumentar el paso del ácido a través de la superficie calefactora. El flujo turbulento reduce el aumento de temperatura de la superficie de la vaina de 15 grados a 8-10 grados con la misma densidad de vatios. El flujo turbulento reduce con éxito la potencia del calentador sin reducción de potencia. Para tanques de pasivación que funcionan a temperaturas superiores a 45 grados en ácido nítrico al 30-40%, los ingenieros podrían considerar actualizar a un acero inoxidable con alto contenido de silicio como Durimet 20 o una aleación de titanio. Estos materiales son casi impermeables al ataque intergranular del ácido nítrico, independientemente de su historial térmico o de soldadura. Al especificar calentadores para el servicio de pasivación, siempre mencione la concentración correcta de ácido nítrico, la temperatura total y si el calentador tiene accesorios soldados o no. Si un fabricante recomienda 316 para ácido nítrico al 40 % a 50 °C sin mencionar la reducción de la densidad de potencia o el grado 316L, no es un asesoramiento técnico completo. Es gradual y la zona afectada por el calor de una vaina soldada de 1,2 mm se adelgaza hasta que la brida se desprende o la vaina pierde ácido nítrico. El correcto procedimiento de soldadura es una medida preventiva mucho más eficaz que la inspección, ya que en ocasiones el ataque no es visible hasta que se ha perdido una gran cantidad de material de la zona de soldadura.