Hvers vegna mynda 316 ryðfrítt stálslíður rafmagnshitunarrör í natríumhýpóklórít sótthreinsunarlykkjum við 30–50 gráður djúpt grópárás við þriggja-fasa mörkin innan 200 klukkustunda frá hléum þjónustu?

Natríumhýpóklórít (NaOCl) er almennt notað til sótthreinsunar við vatnshreinsun sveitarfélaga, hreinlætisaðlögun matvælavinnslu og lyfjakerfis CIP (hreint-á-stað). Rafhitunarrör eru almennt notuð í hýpóklórít endurhringrás til að halda hitastigi lausnar á bilinu 30–50 gráður fyrir hámarks sótthreinsunarvirkni. Bilanir á vettvangi í nokkrum vatnshreinsistöðvum hafa hins vegar sýnt að 316 slíður úr ryðfríu stáli eru næm fyrir mjög staðbundinni, alvarlegri árás með grópum á loft-vökva-þriggja fasa mörkum í 200 til 500 klukkustundum af hléum. Þessi árás sést ekki við viðvarandi blautar eða algerlega þurrar aðstæður. Þriggja-mörkin, þar sem slíðurinn fer úr hýpóklórítlausninni og fer inn í gufurýmið fyrir ofan, verða fyrir einstökum samsetningu aðstæðna, þar á meðal bleytu- og þurrkunarlotur, súrefnisauðgun í snertingu við loft, uppgufun hýpóklóríts og klóríðtegunda sem veldur þéttni og niðurbrot hýpóklóríts í klórgas (2). Niðurstaðan er sjálf-viðhaldandi tæringarfrumur sem sker hringrás í slíðrið á vökvastigi, venjulega gegnsýrir vegginn alveg innan nokkurra vikna. Þessi rannsókn mælir tæringarhraða rifa við þriggja-fasa mörk í NaOCl þjónustu og kynnir hönnunar- og rekstrarráðleggingar til að forðast þessa bilunarham.

Rafefnafræði þriggja-þriggja fasa landamæranna í lausnum hýpóklóríta
Natríumhýpóklórítlausnir eru í eðli sínu óstöðugar og brotna niður samkvæmt 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 og einnig 2NaOCl → 2NaCl + O2. Niðurbrotið er hraðað um 30-50oC. Þunn filma af hýpóklórítlausn sem bleytir slíðuna fyrir ofan magn vökvastigs við þriggja-fasa mörkin (loft-vökva-slíður) gufar fljótt upp, sem einbeitir hýpóklóríti úr venjulegum 0,5–2,0% aðgengilegum klór í allt að 10–15% sem gufar upp í uppgufuninni. Óblandaða hýpóklórítið brotnar hraðar niður til að mynda klórgas (Cl₂) sem er mjög ætandi fyrir 316 ryðfríu stáli og staðbundið mjög oxandi umhverfi með lágt pH. Á sama tíma útilokar bleyta- og þurrkunarferlið myndun stöðugrar óvirkrar filmu. Í þurrkahluta lotunnar hefur öll óvirk filma sem hefur myndast verið þurrkuð og brotin. Á endurvætunarstigi ræðst ferskt hýpóklórít á óvarinn málm áður en ný húð getur myndast.

Myndun mismunadrifsloftunarfrumu flýtir fyrir grópunarbúnaðinum. Svæðið fyrir neðan vökvalínuna er -súrefnislaust (þar sem niðurbrot hýpóklóríts eyðir súrefni) en þunnt lagið fyrir ofan þriggja-fasa mörkin er súrefnis-ríkt af snertingu við loft. Súrefnisríka svæðið verður kaþódískt og málmurinn rétt fyrir neðan verður anódískur. Rafskautsstraumurinn er staðbundinn við vökvalínuna og þróar með tímanum dýpkandi og breikkandi gróp.

Að mæla tæringarhraða rifa við þriggja-fasa mörkin
316 hlífðarsýni úr ryðfríu stáli (1,5 mm veggur, 12 mm OD, lausn-glöðuð) voru dýfð að hluta í 1,0% tiltæka klór NaOCl lausn (byrjar pH 10,5) við 40 gráður í stýrðri prófun, með vökvamagn í miðri -lengd. Prófunin skiptist á upphitun (slíður virkjaður í 50 gráðu yfirborðshita) og lausagangi (engin upphitun, 40 gráðu bað) á 6 tíma kveikt/6 tíma slökkt lotu. Með millibili voru sýnin athugað með tilliti til dýptar gróps við upphaflega vökvahæð. Groove dýpt var metin með því að nota skurð og sjónsmásjá.

Lýsingartími (klukkutímar) Fjöldi blautra-þurrra lota (6 klst. hver) Rópdýpt Max (μm)Rópbreidd (mm) Veggþykktarminnkun við gróp (frá 1,5 mm)
0 0 0 0 0% 100 8 (u.þ.b.) 45 0.8 3% 200 17 110 1.2 7% 300 25 210 1.5 14% 400 33 380 2.0 25% 500 42 620 2.5 41% (nálægt götun)
600 50 880 (gatað) 3.0 59%
Rjúpnahraði var um það bil 1,5-2,0 um/klst. af útsetningu, nokkurn veginn samkvæmur eftir 50-100 klst. Fyrir 1,5 mm vegg var áætlaður tími til götunar 600-800 klukkustundir (25-33 dagar) í samfelldri hjólreiðum. Í vettvangsþjónustu með lengri frítíma og mismunandi aðstæður, var bilun oft innan 200-500 klukkustunda (8-21 dagur).

Samanburður við stöðuga niðurdýfu og aðra þætti
Viðmiðunarpróf voru gerðar til að einangra þriggja-fasa mörkaáhrifin við ýmsar aðstæður. Tölfræðin hér að neðan sýnir að það er engin skemmd á þriggja fasa jaðarástandinu samanborið við samfellda dýfingu (engin blaut-þurr hjólreiðar) og algjörlega þurr útsetning.

Prófunarskilyrði NaOCl Styrkur (% tiltækt Cl 2) Hitastig ( gráðu ) Lýsingartími (klst.) Hámarks tæringardýpt (μm) Yfirborðsástand
Alveg á kafi (engin loftviðmót) 1.0 40 500 25 Væg gryfja, einsleit
Alveg á kafi 1.0 50 (slíður hituð) 500 45 gryfja, engin gróp
Í kafi að hluta, stöðugt vökvamagn (engin hjólreiðar) 1.0 40 500 180 (við vökvalínu) Gróp, minna alvarleg
Að hluta á kafi, blautur-þurr hjólreiðar (kveikt/slökkt á upphitun) 1.0 40/50 500 620 djúp gróp
Í kafi að hluta, pH stillt í 9,5 (sem natríumkarbónat) 1.0 40/50 500 85 Létt rif
Í kafi að hluta, köfnunarefnishreinsun yfir gufurými 1.0 40/50 500 110 Minnkuð gróp
Að hluta á kafi, afjónað vatn (ekkert NaOCl) 0 40/50 500 0 Engin tæring
Mikilvægir þættir eru tilvist hýpóklóríts, tilvist vökva-gufuviðmóts, blautur-þurr hringrás og aðgangur súrefnis að gufurýminu. Með því að útrýma einhverjum af þessum þáttum minnkar rjúpan um hlutfallið 3–7.

Áhrif efna á gróphraða
Hraði rifa er nokkuð viðkvæmt fyrir tiltækum klórstyrk hýpóklórítlausnarinnar. Hærri styrkur leiðir til hraðari niðurbrots hýpóklóríts, aukinnar klórgasframleiðslu og árásargjarnari uppgufunarstyrks. Prófanir við stöðuga 40 gráður með 6-klst blautþurrkunarlotum og 500 klst heildarútsetningu leiddu til eftirfarandi sambands:

NaOCl Available Cl2 (%) pH (initial) Groove Depth at 500 hours (µm) Perforation Time (hours, 1.5 mm wall) Vapour Space Cl2 Odour Observed 0.1 10.0 45 >5000 (ekki náð) Ekkert 0.5 10.3 180 2500 Milt 1.0 10.5 620 600-800 Sterkt 2.0 11.0 1050 (gatað < 500 klst.) 300-400 Mjög sterkt
1,0 með klórhreinsiefni (þíósúlfat, 10 ppm) 10.5 85 2800 Nei
Áætlaður götunartími fyrir gróp í dæmigerðum sótthreinsunarlykkjum fyrir drykkjarvatn með 0,5–1,5% NaOCl er 2–8 vikur fyrir 316 slíður. Tilvist þíósúlfats eyðir á áhrifaríkan hátt frís klórs og kemur í veg fyrir gróp en getur dregið úr skilvirkni sótthreinsunar.

Dæmi um bilanir á vettvangi í vatnshreinsistöðvum
Endurskoðun á 23 vatnshreinsunarstöðvum sveitarfélaga sem notuðu 316 ryðfríu stálhjúpa hitara í NaOCl endurrásarlykkjum (0,5–1,2% tiltækt Cl₂, 35–45 gráður, dæluaðgerð með hléum með blautum -þurrhringjum á 4–12 klukkustunda fresti) sýndi eftirfarandi bilunarmynstur:

Notkunarmynstur aðstöðu áætluð blautur-Þurrlotur á dag.
Plöntu A (1,2 % NaOCl) Stöðug endurrás, stöðugt stig 0 (engin hjólreiðar) 8-12 mánuðir (engin gróp, aðeins hola)
Plöntu B (1,0% NaOCl) með hléum, 6 klst kveikt / 6 klst slökkt, stig breytilegt 2 18 d
Plöntu C (0,8% NaOCl) með hléum, 8 klst kveikt / 16 klst slökkt, magn sveiflast 1.5 25 dagar
Plöntu D (0,5% NaOCl) Með hléum, dælir á 4 klst fresti, stig lækkar á milli lota 6 12 daga
Verksmiðja E (0,5% NaOCl, vökvastigi stjórnað af flotventil) Hita með hléum, en engin stighringrás 0 (engin stigbreyting) 6 mánuðir (engin gróp)
Plöntur A og E benda til þess að það sé mikilvægara að halda stöðugu vökvastigi (engin blaut-þurr hringrás á slíðuryfirborðinu) en að hafa háan hýpóklórítstyrk til að koma í veg fyrir gróp. Styrkur hafði ekki áhrif á bilunarhraða verksmiðja sem voru með hæðarsveiflur eða lotuvirkni þar sem hitarinn var óvarinn við frárennslislotur.

Hönnunar- og rekstraraðferðir til að koma í veg fyrir þriggja-þrengingar
Þrjár verkfræðilegar lausnir eru notaðar til að draga úr eða draga verulega úr þriggja-fasa grópum í NaOCl þjónustu. Öruggasta leiðin er að halda hitaranum alveg undir vatni allan tímann. Hannaðu tankinn eða lykkjuna með lágmarksvökvastigi fyrir ofan topp hitaeiningarinnar. Búðu til lágþrepsrofa sem -kveikir á hitaranum þegar vökvastigið fer niður fyrir slíðrið.

Annað er að halda vökvanum á jöfnu stigi óháð virkni dælanna eða hitara, þannig að forðast blauta-þurrhringrás þegar ekki er nægur vökvi til að vera alveg á kafi. Stöðugt yfirfallsstýri eða stigstýringarloki kemur í veg fyrir að vökvayfirborðið fari yfir slíðuryfirborðið.

Þriðja aðferðin er fyrir kerfi þegar ekki er hægt að koma í veg fyrir stigbreytingu. Lárétt uppsetning á hitara, ekki lóðrétt. Þegar rörið er lárétt eru þriggja-fasa mörkin aðeins ein lína efst á rörinu í stað heils hrings. Einnig nær grópin sem myndast efst ekki þrýstingsmörkunum eins fljótt. Ennfremur er hægt að byggja lárétt rör með hitaeiningunni staðsetta sérvitringur í átt að botninum, þannig að toppurinn á slíðrinu sé ekki beint upphitaður og lækkar þar af leiðandi staðbundið hitastig við þriggja fasa mörkin.

Staðgengill Hypochlorite Service
Ef þörf er á 316 ryðfríu stáli, en ekki er hægt að komast hjá þriggja fasa útsetningu, þá hefur uppfærsla á slíðurefninu nokkra kosti. Það er ekkert algengt ryðfrítt stál sem er sannarlega ónæmt fyrir þriggja fasa hýpóklórít ástandinu.

Slíður Efni Groove Dýpt við 500 klst., 1% NaOCl, 40 gráður, blautt -þurr hjólreiðar (um) Hlutfallslegur kostnaður (á móti 316) Mælt er með
316 Ryðfrítt stál 620 1.0 Nei (hröð bilun)
904L (UNS N08904) 280 2.5 Landamæri
Alloy 825 (UNS N08825) 120 4.0 Viðunandi með stjórn á stigum
Títan bekk 2<10 2.2 Yes (very good)
Títan bekk 7<5 2.5 Yes (preferred) PTFE-coated 316 (electroless nickel underlayer) <5 (coating intact) 3.0 Yes, but danger of coating deterioration
Títan Grade 2 eða Grade 7 er ónæmur fyrir hýpóklórítárás við hitastig allt að 70 gráður og er óvirkt jafnvel við þriggja fasa aðstæður. Vettvangsgögn frá matvælavinnslu þar sem 316 slíður voru skipt út fyrir títan gráðu 2 í 0,8% NaOCl CIP lykkju sýndu engar rifur eða gryfjur eftir 24 mánaða hlé á rekstri þar sem 316 slíður biluðu áður á 3-4 vikna fresti.

Hypochlorite Loop Heater Specification Language
Við kaup á rafhitunarrörum fyrir natríumhýpóklórítþjónustu þar sem möguleiki er á blautu-þurrhringrás eða sveiflu í stigi, ættu verkfræðingar að krefjast títan gráðu 2 eða gráðu 7 slíðurefnis að lágmarki. Þar sem 316 ryðfrítt stál er notað í núverandi kerfi, skulu eftirfarandi rekstrarkröfur fylgja: (a) Vökvastigi skal ávallt haldið fyrir ofan efsta hitaeininguna með því að nota stigstýrikerfi; (b) Lágt-útrásarrofi skal vera til staðar, samtendan við hitasnertibúnaðinn til að-kveikja á hitaranum ef stigið fer niður fyrir öruggt lágmark; (c) Kerfið skal hannað fyrir samfelldan rekstur með stöðugu stigi frekar en fyrir lotulosun-og-fyllingaraðgerðir; (d) Slíðan skal skoðuð á vökvastigi mánaðarlega til að spora með úthljóðsþykktarmælingu eða sjónrænni skoðun í gegnum sjóngler. Fyrir nýjar uppsetningar með hýpóklórítinnihald yfir 0,2% fáanlegt Cl 2 og hitastig yfir 35 gráður, tilgreinið títan gráðu 7 slíðurefni og lárétta stefnu hitara. Þriggja fasa mörkin í hýpóklórítþjónustu eru einstaklega árásargjarnt ör-umhverfi sem er í grundvallaratriðum frábrugðið annaðhvort fullri dýfingu eða gufufasa. Verkfræðingar sem skilja þetta geta valið viðeigandi efni og kerfishönnun til að forðast þá hröðu bilun sem einkennir þetta forrit.