Vad är den maximalt tillåtna väggtjockleken för 316 rostfritt stålmantel för en elektrisk doppvärmare i hög-renhet avjoniserat vatten över 90 grader Celsius? Vad är den maximala tillåtna 316 rostfritt stålmantelväggtjockleken för en elektrisk nedsänkningsvärmare i högt {{4}Vattentemperatur Degrees?

High-purity deionised water is a dilemma for engineers designing electric immersion heaters for semiconductor manufacturing, medicinal water systems and laboratory equipment. Deionised water is highly corrosive to many metals since it lacks dissolved ions to provide protective passive layers, even though it has great electrical resistance. The passive chromium oxide coating on 316 stainless steel is stable in deionised water at room temperature. However, at higher temperatures (>80 grader) sjunker syrelösligheten och korrosionspotentialen ökar vilket leder till en förändring från passiv till aktiv korrosion. Höljets väggtjocklek på 316 styr korrosionstillåten över värmarens livslängd och yttemperaturen för en viss wattdensitet. Publicerad korrosionshastighetsstatistik, tillsammans med praktisk erfarenhet från branschen för ultrarent vatten, används för att bestämma den maximalt acceptabla väggtjockleken för 316 höljen i avjoniserat vatten med hög renhet.

Mekanismer för korrosion av 316 rostfritt stål i högtemperaturavjoniserat vatten
I avjoniserat vatten med hög renhet (resistivitet > 1 megohm-centimeter) är koncentrationen av fientliga joner, såsom klorider, mycket låg. Men den frånvaron av lösta salter gör inte nödvändigtvis vattnet vänligt. För temperaturer över 80 grader är 316 rostfritt stål benäget för allmän korrosion och mer allvarligt för lokal korrosion på platser där den passiva filmen bryts ner. Korrosionshastigheten i avjoniserat vatten är Arrheniusrelaterad och ökar med cirka en faktor två för varje 25 graders temperaturökning. Den allmänna korrosionshastigheten på 316 i avjoniserat vatten vid 90 grader är ungefär 0,02 till 0,05 mm/år. Hastigheten ökar till 0,10-0,20 millimeter per år vid 120 grader C. Vid 150 grader är hastigheten 0,30–0,50 mm/år. Även om dessa hastigheter kan verka låga, för en värmare som är konstruerad för att fungera kontinuerligt i 5 till 10 år, representerar en slitagehastighet på 0,10 mm per år 0,5 till 1,0 mm väggtjocklek. Den initiala manteltjockleken på 1,0 mm skulle minskas till 0,5 mm efter fem år, när den mekaniska integriteten är tveksam. Rostningen är inte helt jämn. Grop- och spaltkorrosion, särskilt vid monteringsgränssnitt och svetszoner, kan orsaka lokala penetrationshastigheter två till fem gånger högre än den allmänna korrosionshastigheten.

Effekter av väggtjocklek och livslängd för avjoniserat vatten
Förhållandet mellan 316 mantelväggtjocklek och livslängd i högtemperaturavjoniserat vatten är nästan linjärt om allmän korrosion är den primära mekanismen. För en livslängd på 5 år vid 95 grader med en korrosionshastighet på 0,04 mm/år är erforderligt korrosionstillägg 0,20 mm. Detta med en minsta konstruktionsväggtjocklek på 0,7 mm innebär att en initial väggtjocklek på 0,9 mm behövs. En mantel på 1,2 mm skulle ge en säkerhetsmarginal på 0,3 mm utöver korrosionsgränsen och skulle ge en möjlig livslängd på över åtta år. Men för en given wattdensitet betyder tjockare väggar högre temperaturer på den yttre ytan. Högre yttemperaturer accelererar exponentiellt korrosion i avjoniserat vatten. En 2,0 mm mantel vid 10 W/cm² i 95 graders vatten kan ha en yttemperatur på 115 grader. Korrosionshastigheten vid denna temperatur är cirka 0,08 mm per år-dubbelt så stor som för 1,2 mm manteln vid en yttemperatur på 105 grader. Den tjockare manteln kräver mer korrosionstillägg, men korroderar också snabbare. Denna interaktion etablerar en idealisk väggtjocklek för största livslängd snarare än ett monotont förhållande. Publicerade korrosionsdata har använts för att beräkna den optimala manteltjockleken 316 för maximal livslängd vid 95 grader avjoniserat vatten vid 10 W/cm², vilket är i storleksordningen 1,4 mm. En korrosionsmån på mindre än 1,0 mm räcker inte. Vid mer än 1,8 mm dominerar den ökade korrosionen på grund av den högre yttemperaturen i tilläggsmaterialet.

Maximal rekommenderad väggtjocklek för service med avjoniserat vatten
Följande tabell ger föreslagna maximala 316 manteltjocklekar för elektriska doppvärmare i avjoniserat vatten med hög-renhet. Värdena är för kontinuerlig drift, syrenivåer < 100 delar per miljard och resistivitet > 1 megohm-centimeter. Korrosionshastigheten kan vara högre och därför bör system med högre syrenivåer eller lägre renhet och tunnare väggar tillhandahållas.

Avjoniserat vatten Temperatur Rekommenderad Watt Densitetsintervall Maximal Rekommenderad 316 Mantelväggtjocklek Förväntad livslängd vid maximal tjocklek Felläge vid maximal tjocklek Alternativ rekommendation 80 – 90 grader 8 – 12 W/cm2 1.8 mm 8 – 10 år Allmän korrosion tunn applicering{8}8 lång livslängd 90 grader 12 – 15 W/cm2 1.4 mm 6 – 8 år Korrosion plus termisk spänning Standardrekommendation 90 – 100 grader 6 – 10 W/cm2 1.6 mm 5 – 7 år Gropbildning vid ytdefekter Minska wattdensiteten för längre livslängd
90 – 100 grader 10 – 12 W/cm² 1,2 mm 4 – 6 år Allmän korrosion Mest typiska specifikationen 100 – 120 grader 4 – 8 W/cm² 1,2 mm 3 – 5 år Accelererad korrosion Betrakta titanhölje
100 – 120 grader 8 – 10 W/cm² 1,0 mm 2 – 3 år Korrosionsutmattning Uppgraderingslegering rekommenderas
>120 grader<5 W/cm² Not advisable Unpredictable Sudden localised corrosion Use titanium or alloy C-276
För applikationer med avjoniserat vatten över 100 grader bör ingenjörer allvarligt överväga att uppgradera från 316 rostfritt stål till titan eller en hög-nickellegering som Alloy 22. Titan har en korrosionshastighet i högtemperaturav-joniserat vatten två storleksordningar lägre än 316. Detta ger en avsevärt tunnare livslängd och längre livslängd. Den högre initiala kostnaden för titan kompenseras ofta av mindre frekvent utbyte och ingen risk för metallisk kontaminering vid känsliga operationer.

Designändringar för att öka livslängden utan att öka rörväggens tjocklek
När ett tjockt 316-hölje krävs av mekaniska skäl, såsom tryckbegränsning eller vibrationsmotstånd i en avjoniserat vattenapplikation, finns det tre designjusteringar som kan kompensera den accelererade korrosionen från högre yttemperatur. Den första och mest effektiva är att minimera wattdensiteten. Minskningen av mantelns yttre yttemperatur med ungefär 10–15 grader vid minskning av wattdensiteten från 12 W/cm² till 6 W/cm² leder till en minskning av korrosionshastigheten med 30–40 %. Avvägningen är att du kommer att behöva längre eller större värmare för att få samma totala effekt. Den andra ändringen är att passivera mantelytan efter dess tillverkning. Salpetersyra- eller citronsyrapassiveringsbehandling eliminerar fritt järn och ytorenheter för att generera en mer enhetlig och stabil passiv beläggning som motstår korrosionsstart. I kontrollerade tester har passiverade 316-höljen uppvisat korrosionshastigheter som är 20-30 % lägre än de för icke-passiverade prover i avjoniserat vatten. Den tredje ändringen är kontroll av vattenkemi. Håll löst syre under 5 delar per miljard. Använd kvävetäcke eller vakuumavgasning för att åstadkomma detta. Detta minskar den katodiska reaktionshastigheten och hämmar korrosion. Men mycket låga syrenivåer kan också leda till passiv filminstabilitet. Så ett begränsat fönster på 5–50 delar per miljard är bäst. Dessa justeringar är inte möjliga för de flesta avjoniserat vattensystem och kontroll av väggtjocklek är det viktigaste sättet att kontrollera korrosionslivslängden. Istället för att välja en väggtjocklek enligt mekaniska tumregler bör ingenjörer informera värmartillverkaren om den erforderliga livslängden och begära en beräknad korrosionstillåtelse baserad på den förväntade driftstemperaturen och wattdensiteten.