מדוע צינורות חימום חשמליים 316 נירוסטה בלולאות חיטוי נתרן היפוכלוריט ב-30-50 מעלות מפתחות התקפת חריצים עמוקים בגבול התלת--תוך 200 שעות של שירות לסירוגין?

נתרן היפוכלוריט (NaOCl) נמצא בשימוש נרחב לחיטוי במערכות טיפול במים עירוניים, תברואה בעיבוד מזון ומערכות CIP (נקי-ב-מקום). צינורות חימום חשמליים מותקנים לרוב בלולאות מחזור היפוכלוריט כדי לשמור על טמפרטורות תמיסה של 30-50 מעלות ליעילות חיטוי מיטבית. עם זאת, כשלים בשטח ממפעלי טיהור מים מרובים מראים ש-316 עטיפות נירוסטה מפתחות התקפת חריצים מקומית וחריפה בגבול -נוזל-אוויר תלת-פאזי- בתוך 200-500 שעות משירות לסירוגין. התקפה זו אינה נצפית בטבילה מתמשכת או בתנאים יבשים לחלוטין. גבול שלושת -השלבים - שבו המעטפת יוצאת מתמיסת ההיפוכלוריט לתוך חלל האדים שלמעלה - חווה שילוב ייחודי של תנאים: מחזורי הרטבה וייבוש מתחלפים, העשרת חמצן ממגע באוויר, אידוי-ריכוז של מיני היפוכלוריט וכלוריד, ופירוק Cl₂ של היפוכלוריט). התוצאה היא תא קורוזיה המקיים את עצמו-שחותך חריץ היקפי לתוך הנדן ברמת הנוזל, ולעתים קרובות חודר את הקיר לחלוטין תוך שבועות. מאמר זה מכמת את קצב קורוזית החריצים בגבול שלושת-השלבים בשירות NaOCl ומספק אסטרטגיות עיצוב ותפעול למניעת מצב כשל זה.

אלקטרוכימיה של גבול שלושת-השלבים בפתרונות היפוכלוריט

תמיסות נתרן היפוכלוריט אינן יציבות מטבען, מתפרקות לפי 3NaOCl → 2NaCl + NaClO₃ וגם באמצעות 2NaOCl → 2NaCl + O₂. ב-30-50 מעלות, הפירוק מואץ. בגבול התלת--פאזי (מעטפת-נוזל-באוויר), הסרט הדק של תמיסת היפוכלוריט שמרטיב את המעטפת מעל רמת הנוזל בתפזורת עובר אידוי מהיר, ומרכז היפוכלוריט מ-0.5-2.0% כלור זמין טיפוסי עד לרמה של 10-15% כלור. ההיפוכלוריט המרוכז מתפרק מהר יותר, יוצר גז כלור (Cl₂), שהוא מאכל מאוד לפלדת אל חלד 316, ומייצר סביבה מקומית מחמצנת מאוד, נמוכה{19}}. במקביל, מחזורי ההרטבה והייבוש המתחלפים מונעים היווצרות של סרט פסיבי יציב. במהלך החלק היבש של המחזור, כל סרט פסיבי שנוצר מתייבש וסדוק; במהלך תקופת ההרטבה מחדש, היפוכלוריט טרי תוקף את המתכת החשופה לפני שיכול להיווצר סרט חדש.

מנגנון החריצים מואץ על ידי היווצרות תא אוורור דיפרנציאלי. האזור שמתחת לקו הנוזל מדולדל-חמצן (עקב פירוק היפוכלוריט הצורך חמצן), בעוד שהסרט הדק בגבול התלת-פאזי הוא-עשיר בחמצן ממגע עם אוויר. האזור העשיר בחמצן- הופך קתודי, בעוד המתכת מיד מתחת הופכת לאנודית. הזרם האנודי מתרכז בקו הנוזל, ומייצר חריץ שמעמיק ומתרחב עם הזמן.

שיעורי קורוזיה מכומתים של חריצים בגבול התלת-

בדיקה מבוקרת נערכה באמצעות 316 דגימות מעטפת נירוסטה (דופן של 1.5 מ"מ, 12 מ"מ OD, תמיסה-חוצלה) טבולות חלקית בתמיסת כלור NaOCl זמינה (pH 10.5 התחלתית) ב-40 מעלות, כאשר מפלס הנוזל נשמר באמצע-אורך. הבדיקה עברה במחזוריות בין חימום (המעטה מופעל לטמפרטורת פני השטח של 50 מעלות) לבין סרק (ללא חימום, 40 מעלות אמבטיה) במחזור של 6 שעות הפעלה, 6 שעות כיבוי. הדגימות נבדקו במרווחים לעומק החריץ ברמת הנוזל המקורית. עומק החריץ נמדד על ידי חתך ומיקרוסקופיה אופטית.

קצב החריצים היה כ-1.5-2.0 מיקרומטר לשעה של חשיפה, כמעט קבוע לאחר תקופת דגירה ראשונית של 50-100 שעות. עבור דופן של 1.5 מ"מ, הזמן הצפוי עד לניקוב היה 600-800 שעות (25-33 ימים) ברכיבה מתמשכת. בשירות שטח עם מחזורי חופש-ארוכים יותר ותנאים משתנים, הכשל התרחש בדרך כלל תוך 200-500 שעות (8-21 ימים).

השוואה עם טבילה רציפה ומשתנים אחרים

כדי לבודד את אפקט הגבול של שלושת-השלבים, נערכו מבחני בקרה בתנאים שונים. הנתונים הבאים מראים כי טבילה מתמשכת (ללא רכיבה רטובה- יבשה) וחשיפה יבשה מלאה מייצרות נזק מינימלי בהשוואה למצב הגבול התלת-שלבי.

הגורמים הקריטיים הם: נוכחות של היפוכלוריט, קיום של ממשק -אדים נוזלי, מחזוריות רטוב- יבשה וגישה של חמצן לחלל האדים. ביטול כל אחד מהגורמים הללו מפחית את החריצים בפקטור של 3-7.

השפעות הריכוז הכימי על קצב החריצים

ריכוז הכלור הזמין של תמיסת ההיפוכלוריט משפיע מאוד על קצב החריצים. ריכוזים גבוהים יותר מאיצים את פירוק ההיפוכלוריט, מייצרים יותר גז כלור ויוצרים ריכוז אידוי אגרסיבי יותר. בדיקות ב-40 מעלות קבועות עם מחזורי יובש רטובים של 6-שעות וחשיפה כוללת של 500 שעות הראו את הקשר הבא:

עבור לולאות חיטוי טיפוסיות המשתמשות ב-0.5-1.5% NaOCl, זמן חירור החריצים הצפוי עבור 316 מעטפות הוא 2-8 שבועות. תוספת תיוסולפט צורכת ביעילות כלור חופשי ומונעת חריצים אך עלולה לפגוע ביעילות החיטוי.

דוגמאות לכשלים בשטח ממפעלי טיהור מים

סקר של 23 מתקני טיפול מים עירוניים המשתמשים ב-316 תנורי חימום מנירוסטה בלולאות מחזור NaOCl (0.5-1.2% זמין Cl₂, 35-45 מעלות, פעולת משאבה לסירוגין עם מחזורים רטובים-יבשים כל 4-12 שעות) מצא את דפוסי הכשלים הבאים:

צמח A וצמח E מוכיחים ששמירה על רמת נוזל קבועה (ללא מחזור רטוב-יבש של פני המעטפת) חשובה יותר מריכוז ההיפוכלוריט במניעת חריצים. מפעלים עם תנודות מפלס או פעולת אצווה שבהם המחמם חשוף במהלך מחזורי ניקוז חוו כשל מהיר ללא קשר לריכוז.

אסטרטגיות עיצוב ותפעול למניעת חריצים-תלת שלבים

שלוש אסטרטגיות הנדסיות מונעות או מפחיתות באופן דרמטי חריצים תלת-שלביים בשירות NaOCl. האמין ביותר הוא להבטיח שהמחמם יישאר שקוע במלואו בכל עת. תכנן את המיכל או הלולאה עם מפלס נוזל מינימלי מעל החלק העליון של גוף החימום, והתקן מתג ניתוק ברמה-נמוכה אשר משחרר- את המחמם אם מפלס הנוזל יורד מתחת לחלק העליון של המעטפת.

כאשר טבילה מלאה בלתי אפשרית, האסטרטגיה השנייה היא למנוע רכיבה רטובה-יבשה על ידי שמירה על מפלס נוזל קבוע ללא קשר לפעולת המשאבה או המחמם. מזווה גלישה ברמה קבועה- או שסתום בקרת מפלס מונעים ממשטח הנוזל לנוע על פני המעטפת.

האסטרטגיה השלישית חלה על מערכות שבהן לא ניתן להימנע משינוי רמות. התקן את המחמם אופקית ולא אנכית. בכיוון אופקי, גבול שלושת- השלבים הוא קו בודד לאורך החלק העליון של הצינור ולא היקף מלא, והחריץ שנוצר בחלק העליון אינו חודר את גבול הלחץ באותה מהירות. בנוסף, ניתן לעצב צינור אופקי עם גוף החימום הממוקם בצורה אקסצנטרית לכיוון התחתון כך שחלקו העליון של הנדן לא יחומם ישירות, מה שמפחית את הטמפרטורה המקומית בגבול התלת-פאזי.

חומרים חלופיים לשירות היפוכלוריט

אם יש להשתמש בנירוסטה 316 אך לא ניתן לבטל חשיפה תלת-פאזית, שדרוג חומר המעטפת מספק תועלת מסוימת, אם כי אף פלדת אל חלד נפוצה אינה עמידה באמת למצב היפוכלוריט תלת-פאזי.

טיטניום דרגה 2 או דרגה 7 חסין להתקפת היפוכלוריט בטמפרטורות של עד 70 מעלות ונשאר פסיבי גם בתנאים תלת-פאזיים. נתוני שדה ממפעל לעיבוד מזון שהחליף 316 מעטפות בדרגת טיטניום 2 בלולאת NaOCl CIP של 0.8% לא הראו חריצים או חריצים לאחר 24 חודשים של פעולה לסירוגין, כאשר 316 מעטפות נכשלו בעבר כל 3-4 שבועות.

שפת מפרט עבור מחממי לולאה היפוכלוריט

בעת רכישת צינורות חימום חשמליים עבור שירות נתרן היפוכלוריט עם כל פוטנציאל לרכיבה רטובה- יבשה או תנודות ברמות, על המהנדסים לציין חומרי מעטפת טיטניום דרגה 2 או דרגה 7 כדרישת המינימום. אם נעשה שימוש מנירוסטה 316 במערכת קיימת, כלול את דרישות ההפעלה הבאות: שמירה על מפלס הנוזל מעל גוף החימום העליון בכל עת באמצעות מערכת בקרת מפלס; התקן מתג ניתוק ברמה-נמוכה המשולב עם מגע המחמם כדי לבטל-להפעיל את המחמם אם המפלס יורד מתחת למינימום הבטוח; לתכנן את המערכת לפעולה רציפה עם מפלס קבוע במקום מחזורי ניקוז-ו-מילוי אצווה; ובדוק את המעטפת ברמת הנוזל מדי חודש לצורך חריצים באמצעות מדידת עובי אולטרסאונד או בדיקה ויזואלית דרך זכוכית ראיה. עבור מתקנים חדשים שבהם ריכוז ההיפוכלוריט עולה על 0.2% זמין Cl₂ והטמפרטורה עולה על 35 מעלות, ציין חומר מעטפת טיטניום דרגה 7 וכיוון מחמם אופקי. על ידי הכרה בכך שגבול שלושת-השלבים בשירות היפוכלוריט יוצר סביבה מיקרו-תוקפנית ייחודית השונה במהותה מחשיפה מלאה או אדי-שלבי, המהנדסים יכולים לבחור חומרים מתאימים ועיצובי מערכת המונעים את כשל החריצים המהירים המאפיינים את היישום הזה.