À quelle combinaison spécifique de concentration et de température d'acide nitrique une gaine en acier inoxydable 316 de 1,6 millimètre nécessite-t-elle un déclassement inférieur à 12 watts par centimètre carré pour empêcher une attaque intergranulaire dans le service d'un réacteur pharmaceutique ?

Les ingénieurs de procédés qui construisent des thermoplongeurs électriques pour les réacteurs pharmaceutiques et les cuves de synthèse chimique utilisent souvent l'acide nitrique pour la passivation, le nettoyage et comme milieu de réaction. Les concentrations typiques sont de 10-30 % d'acide nitrique à 40-70 ° C. 316 gaine en acier inoxydable. Une gaine de 1,6 mm est couramment utilisée dans le secteur pharmaceutique en raison des exigences de nettoyabilité et de résistance à la corrosion. Cependant, lorsque des brides ou des fixations soudées sont utilisées, la zone affectée thermiquement peut devenir sensibilisée aux agressions intergranulaires à certaines combinaisons concentration-température. Le document définit les valeurs seuils minimales en dessous desquelles une gaine 316 de 1,6 mm doit être réduite en densité en watts à moins de 12 W/cm² pour éviter les attaques intergranulaires dans le service des réacteurs pharmaceutiques.

Mécanisme d’attaque intergranulaire de l’acide nitrique
Pour le 316 dans l'acide nitrique, l'attaque intergranulaire est provoquée par des carbures de chrome précipitant aux joints de grains de soudure et appauvrissant les zones voisines de chrome dans la zone affectée thermiquement. L'acide nitrique attaque principalement les zones appauvries en chrome, entraînant une corrosion des joints de grains pouvant entraîner une luxation de la bride ou une fuite de la gaine. Dépendance de la concentration et de la température à la sensibilité aux agressions intergranulaires. L'attaque dans l'acide nitrique à 10 % n'est appréciable qu'à 80°C. Dans l'acide nitrique à 20 % le seuil est de 65°C. Attaque dans de l'acide nitrique à 30% à des températures supérieures à 55^0C. Dans l'acide nitrique à 40 %, l'attaque se produit au-dessus de 45 degrés. Le point le plus sensible d'une gaine de 1,6 mm avec bride soudée est la zone affectée thermiquement. En raison de la densité en watts, la température de la surface de la gaine est généralement supérieure de 10 à 20 degrés à la température globale de l'acide. La surface de la gaine atteint 73 degrés à une température globale de 55 degrés dans de l'acide nitrique à 30 % avec un chauffage à 12 W/cm2 (augmentation de 18 degrés) bien au-dessus du seuil d'attaque intergranulaire de 55 degrés.

Seuils critiques de déclassement pour la gaine de 1,6 mm
Lors d'un test d'immersion dans l'acide nitrique à des températures pertinentes pour le service pharmaceutique, les limitations de densité en watts suivantes pour une gaine de paroi de 1,6 mm sont applicables pour empêcher une attaque intergranulaire dans la zone affectée thermiquement des échantillons 316 soudés :

Concentration d'acide nitrique Température de l'acide en vrac Température maximale de la surface de la gaine pour aucune attaque intergranulaire Densité de puissance maximale autorisée pour une gaine de 1,6 mm (augmentation de 15 degrés à 10 W/cm2) Temps d'attaque prévu à une densité de puissance plus élevée 10 % 50 degrés 80 degrés 20 W/cm2 Sûr à toute densité de watt pratique 10 % 60 degrés 80 degrés 13 W/cm2 Sûr à 12 W/cm2 10% 70 degrés 80 degrés 7 W/cm2 Déclassement nécessaire en dessous de 12 W/cm² 10 % 75°C 80°C 3 W/cm² 316 marginal ; 316L préféré 20% 40°C 65°C 17 W/cm² Sûr à 12 W/cm² 20% 50°C 65°C 10 W/cm² Déclassement recommandé < 12 W/cm² 20% 55°C 65°C 7 W/cm² Déclassement requis
20% 60°C 65°C 3 W/cm² Utiliser 316L ou recuit 30% 35°C 55°C 13 W/cm² Sûr à 12 W/cm² 30% 40°C 55°C 10 W/cm² Déclassement recommandé 30% 45°C 55°C 7 W/cm² Déclassement nécessaire
30 % 50 degrés 55 degrés 3 W/cm² Utiliser du 316L ou un alliage amélioré
40% 30°C 45°C 10 W/cm² Déclassement suggéré 40% 35°C 45°C 7 W/cm² Déclassement requis
40% 40°C 45°C 3 W/cm² 316 non recommandé
Dans un réacteur pharmaceutique, la température de surface de la gaine d'une gaine de 1,6 mm à 12 W/cm2 dépasse le seuil de 65 degrés à près de 70 degrés, pour 20 % d'acide nitrique à une température globale de 55 degrés. Une attaque inter-granulaire peut survenir dans un délai de 6 à 12 mois. Le déclassement à 8 W/cm² (augmentation de 13°C, surface de 68°C) dépasse toujours les critères . 4 W/cm² (augmentation de 6°C, surface de 61°C) le déclassement maintient la gaine en dessous de 65°C, évitant ainsi les agressions.

Enveloppe de fonctionnement sûre pour un fonctionnement de 12 W/cm²
Le tableau ci-dessous indique la température globale maximale sûre de l'acide nitrique pour une gaine 316 de 1,6 mm à 12 W/cm² (augmentation de 18 °C) afin d'éviter les attaques intergranulaires dans la zone affectée par la chaleur de la soudure.

Concentration d'acide nitrique Température maximale de sécurité en vrac à 12 W/cm² (augmentation de 18 °C) Température de surface de la gaine à charge maximale en sécurité Action requise Au-dessus du maximum 10 % 62 °C 80 °C Déclassement inférieur à 12 W/cm² 15 % 52 °C 70 °C Déclassement requis 20 % 47 °C 65 °C Déclassement requis 25 % 42 °C 60 °C Utilisation 316L ou déclassement 30% 37°C 55°C 316L requis 35% 32°C 50°C Alliage de mise à niveau recommandé 40% 27°C 45°C 316 ne convient pas
Pour un réacteur pharmaceutique contenant 20 % d'acide nitrique à une température globale de 50°C et 12 W/cm², la limite globale de sécurité est de 47°C. Le chauffage est sûr jusqu'à 50 degrés C. Il existe un risque élevé d'attaque intergranulaire. Il est recommandé de réduire la densité de watts à 8 W/cm² (élévation de 13°, surface de 63°) ou de spécifier un matériau de qualité 316L.

Modifications de conception pour éviter les attaques intergranulaires
Pour les processus pharmaceutiques qui nécessitent des concentrations d'acide nitrique et des températures proches des seuils d'attaque, trois ajustements de conception peuvent éviter l'attaque intergranulaire sans déclassement en dessous de 12 W/cm². La première consiste à sélectionner le 316L (faible teneur en carbone, maximum 0,03 %) au lieu du 316 conventionnel. Une teneur en carbone plus faible diminue la précipitation du carbure de chrome pendant le soudage et augmente le seuil d'attaque de 10 à 15 °C. 316L à 12 W/cm² dans 20 % d'acide nitrique est sans danger jusqu'à une température ambiante de 57 à 60 °C. La deuxième amélioration est le recuit post-soudage de la zone de fixation de la bride. Le recuit par induction localisé à 1 050 °C élimine les carbures de chrome et restaure la résistance à la corrosion. Le dernier changement consiste à utiliser un recouvrement de soudure ou une bride plaquée dans laquelle la gaine 316 est soudée à un alliage approprié mais moins sujet à la sensibilisation-. Pour les réacteurs pharmaceutiques nécessitant 30 % d'acide nitrique à 50 °C en fonctionnement continu, les ingénieurs doivent passer à un acier inoxydable à haute teneur en silicium tel que le Durimet 20 ou l'alliage 825. Ces matériaux sont essentiellement imperméables aux agressions intergranulaires de l'acide nitrique, quel que soit leur historique de soudage ou de chauffage. Spécifiez toujours les accessoires soudés lorsque vous spécifiez des réchauffeurs pour le fonctionnement de l'acide nitrique pharmaceutique. Spécifiez 316L (pas le standard 316) pour toutes les applications supérieures à 15 % de concentration ou 50°C. L'agression intergranulaire aux joints de grains propage le détachement de la bride d'une gaine soudée de 1,6 mm dans l'acide nitrique et se produit souvent avec peu d'avertissement visuel. Une sélection appropriée des matériaux et une gestion de la densité en watts sont importantes pour le fonctionnement fiable des réacteurs pharmaceutiques.