¿Cuál es el espesor mínimo recomendado de la pared de la funda de acero inoxidable 316 para un calentador de inmersión eléctrico que funciona en una solución de hipoclorito de sodio al 5% a 40 grados Celsius para el servicio de producción de lejía?

Los ingenieros de procesos químicos que construyen calentadores eléctricos de inmersión para la producción de hipoclorito de sodio, la fabricación de lejía y los sistemas de desinfección del tratamiento de agua experimentan obstáculos sustanciales cuando utilizan acero inoxidable 316 como material de revestimiento. El hipoclorito de sodio es un oxidante poderoso y es una solución de alto-pH que destruye agresivamente muchos metales.. 316 el acero inoxidable es más resistente que el 304 debido a la presencia de molibdeno, pero aún es susceptible a picaduras, corrosión por grietas y grietas por corrosión bajo tensión en el servicio de hipoclorito, especialmente a temperaturas y concentraciones extremas. El espesor de la pared de la funda controla el margen de corrosión y, lo que es más importante, el tiempo necesario para que las picaduras localizadas impregnen la pared. Este artículo presenta el espesor de pared mínimo recomendado para vainas 316 en servicio de hipoclorito de sodio diluido según los datos de corrosión publicados y la experiencia de campo del negocio de producción de lejía.

Mecanismos de corrosión del acero inoxidable 316 en solución de hipoclorito de sodio
El hipoclorito de sodio (NaOCl) es un fuerte agente oxidante que preserva la película pasiva del acero inoxidable 316 en condiciones óptimas. Pero varias condiciones favorecen el ataque localizado. El ion hipoclorito es un agente oxidante que contiene cloruro- y, por lo tanto, ofrece simultáneamente el agresivo anión cloruro y el potencial oxidativo necesario para romper la película pasiva. El picadura del 316 puede tener lugar a un ritmo de 0,5 a 2,0 mm por año en concentraciones > 1 % de cloro accesible y > 35 grados . Las picaduras están muy localizadas y alcanzan una profundidad de 1 mm en meses con poco efecto en las áreas que rodean las picaduras. Un solo hoyo profundo en la funda del calentador de inmersión es suficiente para romper la pared, lo que provoca la penetración del fluido del proceso, fallas eléctricas y contaminación de la solución de hipoclorito con iones metálicos que catalizan la descomposición. Las tasas de corrosión general son bajas, generalmente<0.05 mm/year, such that wall thickness is destroyed mostly by pitting not by uniform thinning. This means that raising the wall thickness will only help to a limited extent, because a pit developing in a localised weak area will penetrate a 2.0 mm wall only slightly slower than a 1.0 mm wall. The real metric is not the average thickness, but the lack of surface defects and residual stresses, which are the locations of pit initiation.

Influencia del espesor de la pared en el tiempo de penetración de las picaduras
Después del inicio de una picadura, la tasa de penetración de la picadura es aproximadamente constante para un contenido de hipoclorito y una temperatura determinados. Los resultados de los experimentos de inmersión en NaOCl al 5 % a 40 grados revelan la iniciación de las picaduras después de 200 a 500 horas para muestras pulidas de 316. Las picaduras, una vez establecidas, crecen a tasas de 0,03 a 0,08 mm día −1 (aproximadamente 0,9 a 2,4 mm mes −1 ). A este ritmo, se perforaría un espesor de pared de 1,0 mm en 13 a 33 días desde el inicio de la picadura. Una pared de 2,0 mm duraría entre 22 y 67 días desde el inicio. La vida útil es la suma del tiempo de iniciación y el tiempo de propagación. La vida útil total es de aproximadamente 200 a 500 horas+13-33 días para una vaina de 1,0 mm, o aproximadamente de 20 a 50 días. La vida total de una vaina de 2,0 mm es de 200 a 500 horas + 22–67 días o ~30 a 80 días. La pared más gruesa añade sólo entre 10 y 30 días a la vida útil, lo que supone una mejora menor en relación con el coste adicional del material y la penalización térmica. Debido a esta corta vida útil, el 316 rara vez se especifica para inmersión continua en hipoclorito de sodio con una concentración superior al 1% y 30 grados. Si se requiere una mayor vida útil, se deben utilizar otros materiales como titanio o aleaciones específicas.

Recomendaciones de espesor mínimo de pared para servicio con hipoclorito
La siguiente tabla muestra los espesores de pared de revestimiento mínimos sugeridos para calentadores eléctricos de inmersión en servicio de hipoclorito de sodio. Los valores se basan en un funcionamiento continuo, un buen diseño del sistema para minimizar la posibilidad de grietas y estancamiento, y la aceptación de una vida útil relativamente limitada medida en semanas o meses en lugar de años.

Concentración de cloro disponible Temperatura de la solución Tasa de picaduras esperada (después del inicio) Espesor de pared mínimo recomendado de 316 Espesor mínimo: vida útil total esperada Recomendación alternativa
1 – 2% 20 – 30 grados 0,5 – 1,0 mm/mes 1,6 mm 2 – 4 meses Preferible titanio marginal
1 – 2% 30 – 40 o C 0,8 – 1,5 mm/mes 2,0 mm 1,5 – 3 meses El titanio es una buena opción
2 – 5 % 20 – 30 grados 0,8 – 1,5 mm/mes 2,0 mm 1,5 – 2,5 meses Titanio necesario para un servicio confiable
2 – 5 % 30 – 40 grados 1,2 – 2,0 mm/mes 2,5 mm 1 – 2 meses Se requiere titanio 5 – 10 % 20 – 30 grados 1,5 – 2,5 mm/mes No recomendado < 1 mes Utilice titanio o aleación C-276
Cualquier concentración Por encima de 40 grados 2,0 – 4,0 mm/mes Semanas No recomendado Titanio o calentamiento no-metálico
Servicio periódico o por lotes Cualquier temperatura Menor debido al secado 1,2 – 1,6 mm Variable Aceptable para aplicaciones no críticas
El acero inoxidable 316 es una mala elección para cualquier servicio de hipoclorito de sodio con una concentración superior al 2 % o 30 °C, independientemente del espesor de la pared. Su corta vida útil y la posibilidad de fallas rápidas por picaduras lo hacen inadecuado para procedimientos cruciales. El titanio (Grado 2 o Grado 7) demuestra una excelente resistencia al hipoclorito de sodio con velocidades de corrosión.<0.01 mm/year at high concentrations and temperatures. The higher initial cost of titanium – generally 3-5 times that of 316 – is rapidly repaid through prolonged service life and less maintenance.

Modificaciones de diseño para mejorar la vida útil de la funda 316 en servicio con hipoclorito
Si se requiere 316 para el servicio de hipoclorito diluido debido al costo o la disponibilidad de materiales, cuatro ajustes de diseño pueden aumentar la vida útil más allá de los números proporcionados en la tabla.. 1. Mantener un pH de hipoclorito superior a 11. Las soluciones de hipoclorito de sodio a un pH inferior a 11 tienen una velocidad de descomposición más rápida y son más hostiles al acero inoxidable. Las tasas de picaduras se reducen en un 50-70 % con el control automático del pH con adición de cáustico. El segundo ajuste es hacer que la superficie de la vaina sea lo más suave posible. Acabado superficial electropulido 316 < 0,2 micrones. El Ra es menor en comparación con el material estampado, lo que resulta en un aumento en el tiempo de iniciación en una proporción de 2 a 4. El cambio final es funcionar con la densidad de vatios más baja posible. Disminuir la densidad de vatios de 10 W/cm2 a 5 W/cm2 disminuye la temperatura de la superficie de la funda entre 10 y 15 oC y la tasa de picaduras entre ~30 y 40 % en el régimen sensible a la temperatura de 30 a 50 oC. La cuarta alteración es la limpieza periódica de la superficie de la vaina para eliminar sedimentos que generan espacios para grietas. Un lavado semanal con agua o un lavado con ácido diluido puede prolongar enormemente la vida útil. Para la mayoría de las aplicaciones de producción de blanqueadores industriales, estos cambios no son suficientes para hacer del 316 un material confiable. Para que cualquier calentador se sumerja en hipoclorito de sodio durante más de un uso intermitente, los ingenieros deben especificar las fundas de titanio. El costo de una sola falla del calentador 316, incluida la pérdida de producción, la contaminación de la solución y la mano de obra para la reparación, suele ser mayor que el costo adicional del titanio. Incluya siempre la concentración real, la temperatura y las horas de funcionamiento diarias previstas al especificar el servicio de hipoclorito. El proveedor que sugiere 316 para servicio continuo de hipoclorito con una concentración superior al 2% sin mencionar las limitaciones de este material no ofrece asesoramiento de ingeniería competente. En los casos en que el titanio es demasiado caro, se pueden considerar otros métodos de calentamiento, por ejemplo, calentamiento externo del tanque a través de un intercambiador de calor de titanio o inyección de vapor, que no implica el contacto directo del metal con la solución hostil de hipoclorito.