עבור מהנדסים המתכננים מחממי טבילה חשמליים לייצור מוליכים למחצה, מערכות מים פרמצבטיות וציוד מעבדה, מים דה-יונים בטוהר- גבוה מהווים פרדוקס. מים דה-יונים מאכלים בצורה אגרסיבית למתכות רבות למרות ההתנגדות החשמלית הגבוהה שלהם מכיוון שאין להם את היונים המומסים שבדרך כלל יוצרים שכבות פסיביות מגן. עבור נירוסטה 316, סרט תחמוצת הכרום הפסיבי נשאר יציב במים מפושטים בטמפרטורת החדר. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות מעל 80 מעלות צלזיוס, מסיסות החמצן פוחתת בעוד פוטנציאל הקורוזיה עולה, מה שמוביל למעבר מקורוזיה פסיבית לאקטיבית. עובי הדופן של מעטפת 316 קובע הן את קצבת הקורוזיה הזמינה לאורך חיי השירות של המחמם והן את טמפרטורת פני השטח עבור צפיפות וואט נתונה. מאמר זה קובע את עובי הדופן המקסימלי המותר עבור 316 עטיפות בשירות מים דה-יונים בטוהר- גבוה בהתבסס על נתוני שיעורי קורוזיה שפורסמו וניסיון מעשי מתעשיית המים האולטרה-טהורים.
מנגנוני קורוזיה של פלדת אל-חלד 316 במים מפוזרים בטמפרטורה גבוהה-
במים דהיוניים-בטוהר גבוה עם התנגדות מעל 1 מגהום-סנטימטר, הריכוז של יונים אגרסיביים כגון כלורידים נמוך ביותר. עם זאת, היעדר מלחים מומסים אינו הופך את המים לשפירים. בטמפרטורות מעל 80 מעלות צלזיוס, פלדת אל חלד 316 יכולה לעבור קורוזיה כללית, ובאופן קריטי יותר, קורוזיה מקומית באתרים שבהם הסרט הפסיבי ניזוק. קצב הקורוזיה במים דה-יונים עוקב אחר מערכת היחסים של Arrhenius, המוכפלת בקירוב עבור כל עלייה של 25 מעלות צלזיוס בטמפרטורה. ב-90 מעלות צלזיוס, קצב הקורוזיה הכללי של 316 במים דה-יונים הוא בערך 0.02 עד 0.05 מילימטרים בשנה. ב-120 מעלות צלזיוס, הקצב עולה ל-0.10 עד 0.20 מילימטר בשנה. ב-150 מעלות צלזיוס, הקצב מגיע ל-0.30 עד 0.50 מילימטר בשנה. תעריפים אלה עשויים להיראות נמוכים, אך עבור תנור חימום שצפוי לפעול ברציפות במשך 5 עד 10 שנים, קצב של 0.10 מ"מ לשנה צורך 0.5 עד 1.0 מ"מ של עובי דופן. נדן של 1.0 מ"מ בהתחלה יצטמצם ל-0.5 מ"מ לאחר חמש שנים, ובשלב זה השלמות המכנית הופכת בספק. הקורוזיה אינה אחידה לחלוטין. קורוזיה של חריצים וחריצים יכולים לייצר שיעורי חדירה מקומיים גבוהים פי שניים עד חמישה משיעור הקורוזיה הכללי, במיוחד בממשקי הרכבה ובאזורי ריתוך.
כיצד עובי הקיר משפיע על חיי השירות במים דה-יונים
הקשר בין עובי דופן המעטפת של 316 לחיי השירות במים מופחתים-בטמפרטורה גבוהה הוא ליניארי בערך, בהנחה שהקורוזיה הכללית שולטת. עבור חיי שירות נדרשים של חמש שנים ב-95 מעלות צלזיוס עם קצב קורוזיה של 0.04 מ"מ בשנה, קצבת הקורוזיה הדרושה היא 0.20 מ"מ. הוספת זאת לעובי דופן מבני מינימלי של 0.7 מ"מ מניבה עובי התחלתי נדרש של 0.9 מ"מ. מעטפת 1.2 מ"מ תספק מרווח בטיחות של 0.3 מ"מ מעבר לקצבת הקורוזיה, ומאריך את החיים הפוטנציאליים מעבר לשמונה שנים. עם זאת, הגדלת עובי הדופן מגבירה גם את טמפרטורת המשטח החיצוני עבור צפיפות וואט נתונה. במים מופחתים, טמפרטורות פני השטח הגבוהות מאיצות את הקורוזיה באופן אקספוננציאלי. מעטפת של 2.0 מ"מ הפועלת ב-10 W/cm² במים של 95°C עשויה להיות בעלת טמפרטורת פני השטח החיצונית של 115°C, כאשר קצב הקורוזיה הוא כ-0.08 מ"מ בשנה-כפול מזה של מעטפת ה-1.2 מ"מ בטמפרטורת פני השטח של 105°C. המעטפת העבה יותר דורשת קצבת קורוזיה רבה יותר, אך היא גם פוגעת מהר יותר. אינטראקציה זו מייצרת עובי דופן אופטימלי לחיי שירות מקסימליים ולא מערכת יחסים מונוטונית. חישובים המבוססים על נתוני קורוזיה שפורסמו מראים כי עבור מים מופחתים ב-95°C ב-10 W/cm², עובי דופן המעטפת האופטימלי של 316 לחיי שירות מקסימליים הוא כ-1.4 מ"מ. מתחת ל-1.0 מ"מ, קצבת קורוזיה אינה מספקת. מעל 1.8 מ"מ, הקורוזיה המואצת מטמפרטורת פני השטח הגבוהה מקזזת את החומר הנוסף.
עובי דופן מרבי מומלץ עבור שירות מים דה-יונים
הטבלה הבאה מספקת עובי דופן מרבי של 316 מומלצים עבור מחממי טבילה חשמליים בשירות מים דה-יוניים בטוהר- גבוה. ערכים מניחים פעולה מתמשכת, רמות חמצן מומס מתחת ל-100 חלקים למיליארד, והתנגדות מעל 1 מגהום-סנטימטר. עבור מערכות עם רמות חמצן גבוהות יותר או טוהר נמוך יותר, שיעורי הקורוזיה עשויים להיות גבוהים יותר ויש לציין קירות דקים יותר.
| טמפרטורת מים מפושטת | טווח צפיפות וואט מומלץ | עובי דופן נדן מרבי מומלץ 316 | חיי שירות צפויים בעובי מרבי | מצב כשל בעובי מרבי | המלצה חלופית |
|---|---|---|---|---|---|
| 80 - 90 מעלות צלזיוס | 8 - 12 W/cm² | 1.8 מ"מ | 8-10 שנים | דילול קורוזיה כללי | מקובל ליישומים-ארוכים |
| 80 - 90 מעלות צלזיוס | 12 - 15 W/cm² | 1.4 מ"מ | 6-8 שנים | קורוזיה בתוספת מתח תרמי | המלצה סטנדרטית |
| 90 - 100 מעלות צלזיוס | 6 - 10 W/cm² | 1.6 מ"מ | 5-7 שנים | בור בפגמים פני השטח | הפחת את צפיפות הוואטים לחיים ארוכים יותר |
| 90 - 100 מעלות צלזיוס | 10 - 12 W/cm² | 1.2 מ"מ | 4-6 שנים | קורוזיה כללית | המפרט הנפוץ ביותר |
| 100 - 120 מעלות צלזיוס | 4 - 8 W/cm² | 1.2 מ"מ | 3-5 שנים | קורוזיה מואצת | שקול את נדן טיטניום |
| 100 - 120 מעלות צלזיוס | 8 - 10 W/cm² | 1.0 מ"מ | 2-3 שנים | עייפות קורוזיה | מומלץ לשדרג סגסוגת |
| מעל 120 מעלות צלזיוס | מתחת ל-5 W/cm² | לא מומלץ | בלתי צפוי | קורוזיה מקומית מהירה | השתמש בטיטניום או בסגסוגת C-276 |
עבור כל שימוש במים דה-יוניים מעל 100°C, על המהנדסים לשקול בחום לשדרג מפלדת אל-חלד 316 לטיטניום או מסגסוגת ניקל גבוהה- כגון Alloy 22. לטיטניום יש קצב קורוזיה במים דה-יוניים בטמפרטורה- גבוהה שהוא שני סדרי גודל הנמוך מ-316 וחיי שירות ארוכים בהרבה. העלות הראשונית הגבוהה יותר של טיטניום מוחזרת לרוב באמצעות תדירות החלפה מופחתת וביטול הסיכון לזיהום מתכתי בתהליכים רגישים.
שינויי עיצוב להארכת חיי השירות מבלי להגדיל את עובי הקיר
כאשר נדרשת מעטפת עבה של 316 מסיבות מכניות-כגון בלימת לחץ או עמידות בפני רטט-ביישום של מים מופחתים, שלושה שינויי עיצוב יכולים להפחית את הקורוזיה המואצת מטמפרטורת פני שטח גבוהה יותר. הראשון והיעיל ביותר הוא להפחית את צפיפות הוואטים. חציית צפיפות הוואט מ-12 W/cm² ל-6 W/cm² מפחיתה את טמפרטורת המשטח החיצוני של הנדן בכ-10-15°C, מה שמפחית את קצב הקורוזיה ב-30-40%. ההחלפה- היא אורך או קוטר מחמם מוגדלים כדי להשיג את אותו הספק הכולל. השינוי השני הוא פאסיבית משטח הנדן לאחר הייצור. טיפול פסיבציה של חומצה חנקתית או חומצת לימון מסיר ברזל חופשי ומזהמים פני השטח, ומייצר סרט פסיבי אחיד ויציב יותר העמיד בפני התחלת קורוזיה. נדן 316 מפוזר במים מופחתים הראו שיעורי קורוזיה נמוכים ב-20-30% מדגימות לא-מפסיביות בבדיקות מבוקרות. השינוי השלישי כולל בקרת כימיה של מים. שמירה על חמצן מומס מתחת ל-5 חלקים למיליארד-ניתנת להשגה באמצעות שמיכת חנקן או הסרת גז בוואקום-מפחיתה את קצב התגובה הקתודית ומאטה את הקורוזיה. עם זאת, רמות חמצן נמוכות במיוחד יכולות גם לקדם חוסר יציבות של סרט פסיבי, כך שחלון צר של 5-50 חלקים למיליארד הוא אופטימלי. עבור רוב מערכות המים הדה-יוניות, שינויים אלה אינם מעשיים, מה שהופך את בחירת עובי הדופן לכלי העיקרי לניהול חיי קורוזיה. המהנדסים צריכים לציין חיי שירות יעד ליצרן המחמם ולבקש קצבת קורוזיה מחושבת על סמך טמפרטורת הפעולה הצפויה וצפיפות הוואט, במקום לבחור עובי דופן על סמך כללי אצבע מכניים בלבד.
