À quel seuil critique de concentration et de température d'acide sulfurique une gaine en acier inoxydable 316 de 1,6 millimètre devient-elle dangereuse pour un chauffage par immersion continue au-dessus de 15 watts par centimètre carré ?

Les ingénieurs en procédés chimiques qui conçoivent des thermoplongeurs électriques pour l'utilisation de l'acide sulfurique dans les lignes de décapage des métaux, la fabrication de batteries et les réacteurs de synthèse chimique doivent connaître les limites de concentration-température auxquelles la dégradation du film passif se produit avec précision, s'ils doivent sélectionner l'acier inoxydable 316 comme matériau de gaine. Parmi les acides minéraux, seul l'acide sulfurique se révèle corrosif au maximum pour l'acier inoxydable 316 à des concentrations intermédiaires (40 à 60 %) et diminue à des concentrations plus faibles et plus élevées. Une norme typique de 1,6 mm d'épaisseur de paroi offre un compromis entre la transmission thermique pratique et la robustesse mécanique. Mais fonctionner au-dessus de la combinaison cruciale de concentration, de température et de densité en watts peut conduire à une corrosion active rapide, réduisant la durée de vie de la gaine de plusieurs années à plusieurs semaines. Dans cet article, les limites exactes de la gaine 316 de 1,6 mm, qui n'est pas sûre pour le chauffage par immersion continue à des densités de puissance supérieures à 15 W/cm2 .

Le passage de la passivité à l'activité chez 316 personnes exposées à l'acide sulfurique
La résistance à la corrosion de l'acier inoxydable 316 dans l'acide sulfurique dépend de la stabilité du revêtement passif d'oxyde de chrome. Le film passif est stable dans l'acide sulfurique dilué à des concentrations inférieures à 15 % jusqu'à 60 degrés, et les taux de corrosion sont inférieurs à 0,1 mm par an. À une concentration croissante jusqu'à 40-60 %, la tendance réductrice de l'acide domine le film passif et il y a un passage à une corrosion active avec des taux de 5-20 mm par an. À des concentrations supérieures à 70 %, l'acide sulfurique s'oxyde à nouveau, repassivant la surface du 316 et réduisant les taux de corrosion à moins de 0,5 mm/an. La température de la surface de la gaine est généralement de 20 à 50 degrés supérieure à la température de l'acide en vrac en raison du flux thermique d'un thermoplongeur. La température de surface de la gaine d'un élément chauffant de 15 W/cm^2 dans de l'acide en vrac à 50 degrés peut être comprise entre 80 et 90 degrés. Cela se traduit par une température de surface plus élevée et un déplacement de la transition passive vers active vers des concentrations plus faibles. Une concentration d'acide en vrac de 30 % sans danger à 50 °C peut être agressive à la surface de la gaine si la température locale dépasse 70 °C. Par conséquent, la fenêtre de travail sûre pour une gaine 316 de 1,6 mm est déterminée par la température de surface la plus élevée, et non par la température globale de l'acide.

Seuils critiques pour un mur de 1,6 millimètre à 15 watts par centimètre carré
Des tests expérimentaux de corrosion sur 316 échantillons avec un polissage de surface typique des gaines chauffantes serties (0,5 à 0,8 microns Ra) donnent les seuils essentiels suivants pour un début de corrosion active. La concentration critique d'acide sulfurique pour la rupture du film passif est d'environ 55 % à une température de surface de 60 degrés. La concentration critique est réduite à 48 % à une température de surface de 70 degrés. A 80 degrés, le seuil diminue à 42 %. À 90 degrés, c'est 38 %. À 100 degrés, cela réduit à 32 %. Pour une gaine de paroi de 1,6 mm à 15 W/cm2, l'augmentation de température depuis l'acide en vrac jusqu'à la surface de la gaine est d'environ 25 à 30 degrés dans l'acide en circulation naturelle. L'acide en vrac est à 50 degrés et la surface de la gaine à 75-80 degrés. La concentration critique est donc d'environ 40 %. Si la concentration globale d’acide est supérieure à 40 % à cette température, une corrosion active débutera en quelques jours. Une fois que la corrosion active a commencé, le taux de corrosion est généralement de 5 à 15 mm/an, donc une gaine de 1,6 mm se perforera en 1 à 4 mois. En dessous de la concentration critique, à la même température de surface, le taux de corrosion est inférieur à 0,2 mm/an, permettant une durée de vie de 5 à 8 ans. Il s’agit d’un changement soudain et non progressif. Un changement de 2 à 3 % de concentration ou de 5 degrés de température peut impliquer la différence entre des années de fonctionnement et une panne catastrophique en quelques semaines.

Gaine 316 de 1,6 mm en acide sulfurique - Enveloppe de fonctionnement sûr
Le tableau suivant décrit l'enveloppe de fonctionnement sûre pour une gaine en acier inoxydable 316 de 1,6 mm à une densité en watts de 15 W/cm2 .. Les valeurs représentent des combinaisons de concentration d'acide en vrac et de température pour lesquelles la température de la surface de la gaine est inférieure à la température de transition passive-à-active.

Température globale sûre maximale pour une gaine de 1,6 mm à 15 W/cm2 Concentration globale d'acide sulfurique Température de surface de la gaine à une épaisseur maximale sûre Taux de corrosion estimé Durée de vie estimée à 1,6 mm 0 – 10 % 95 degrés 120 – 125 degrés 0,08 – 0,15 mm/an 8 – 12 ans 10 – 20 % 90 degrés 115 – 120 degrés 0,10 – 0,20 mm/an 6 – 10 ans 20 – 30 % 80 degrés 105 – 110 degrés 0,15 – 0,30 mm/an 4 – 8 ans 30 – 35 % 65 degrés 90 – 95 degrés 0,20 – 0,40 mm/an 3 – 5 ans50 degrés 75 – 80 degrés 0,30 – 0,60 mm/an 2 – 4 ans 40 – 45 %Dangereux à n'importe quelle température Plus de 65 degrés Corrosion active > 5 mm/an Semaines à mois
45 – 60 % Ne convient à aucune température. Toute Corrosion active > 10 mm/anDes jours à des semaines
60 – 70 % 50 degrés 75 – 80 degrés 0,50 – 1,00 mm/an 1 – 2 ans (transitionnel)80 degrés 105 – 110 degrés 0,20 – 0,40 mm/an 3 – 5 ans (re-passivé)
80 – 93 % 100 degrés 125 – 130 degrés 0,10 – 0,20 mm/an 6 – 10 ans
Plus de 93 % 120 degrés 145 – 150 degrés 0,05 – 0,10 mm/an 10 – 15 ans
Pour des concentrations d'acide en vrac de 40 à 60 %, aucune combinaison de température globale et de densité en watts ne donnera une gaine 316 de 1,6 mm sûre pour un service continu. Le film passif est instable à toute température supérieure à 30 degrés, et la température élevée sur la surface de la gaine provoquée par le flux de chaleur assure une corrosion active. À cette plage de concentrations, les ingénieurs doivent spécifier un alliage plus résistant à la corrosion tel que l'alliage 20 (Carpenter 20) ou l'alliage 825, ou utiliser une technologie de chauffage non métallique telle qu'un thermoplongeur en graphite ou en carbure de silicium. Par exemple, de l'acide sulfurique à 38 % à une température globale de 55 degrés, au bord de l'enveloppe de sécurité, un léger bouleversement du processus peut pousser la gaine dans la région active. Les ingénieurs doivent appliquer une marge de sécurité d'au moins 5 degrés en dessous de la température maximale de sécurité spécifiée dans le tableau.

Modifications de conception pour élargir l’enveloppe de fonctionnement sécuritaire
Lorsque les conditions de procédé approchent les seuils critiques pour une gaine 316 de 1,6 mm, trois ajustements de conception peuvent étendre l'environnement de fonctionnement sûr sans modifier le matériau de la gaine. La première consiste à minimiser la densité en watts. Si nous travaillons à 8 W/cm² au lieu de 15 W/cm², la température de la surface de la gaine chute d'environ 15 à 20 degrés. Un appareil de chauffage est dangereux à 15 W/cm 2 dans de l'acide sulfurique à 38 % à 60 degrés (température de surface 85 à 90 degrés) et sans danger à 8 W/cm 2 (température de surface 70 à 75 degrés). Le compromis est une longueur ou un diamètre plus grand du radiateur. Un deuxième ajustement consiste à augmenter le flux d’acide à travers la surface de la gaine. La circulation forcée par une pompe ou un agitateur augmente le coefficient de transfert de chaleur de 200 à 500 W/m 2 K en convection naturelle à 1 000 à 2 000 W/m 2 K en écoulement turbulent, réduisant ainsi l'augmentation de la température de surface de 40 à 60 %. Ainsi, un appareil de chauffage qui produit une augmentation de 30 degrés C de l'acide stagnant peut produire seulement une augmentation de 12 degrés C de l'acide bien circulé et maintenir la surface de la gaine en dessous du niveau critique. Le troisième changement est l’ajout d’un agent oxydant à l’acide. La transition des états passifs aux états actifs peut être décalée vers des températures et des concentrations plus élevées en maintenant le potentiel oxydant de la solution par une infime concentration (0,1-0,5 %) d'acide nitrique ou de peroxyde d'hydrogène. Mais cela n’est pas toujours réalisable en raison des contraintes liées aux processus. Dans les installations critiques où une panne imprévue du réchauffeur pourrait entraîner des pertes de production considérables, les ingénieurs doivent installer une sonde de surveillance de la corrosion – un minuscule coupon 316 fixé électroniquement à la gaine du réchauffeur. Une augmentation soudaine du courant galvanique entre la sonde et une électrode de référence indique une rupture précoce du film passif et permet à l'opérateur de réduire la puissance ou de modifier la teneur en acide pour éviter d'endommager la gaine. Lors de la spécification d'appareils de chauffage pour un service à l'acide sulfurique, mentionnez toujours au fournisseur la concentration apparente et la plage de température globale prévue et demandez une température de surface de gaine calculée pour la densité en watts et l'épaisseur de paroi suggérées. Si le fabricant ne peut pas effectuer ce calcul, ne lui confiez pas l'application. La différence entre un fonctionnement sûr et une défaillance catastrophique dans l'acide sulfurique est parfois inférieure à 10 degrés de température de surface de la gaine et une analyse thermique précise est importante pour des spécifications fiables du réchauffeur.