Sous quelle combinaison spécifique du potentiel de protection anodique appliqué et de la température de la gaine le tube chauffant en acier inoxydable 316 dans 50 % de soude caustique (NaOH) à 120 degrés reste-t-il passif sans fissuration par corrosion sous contrainte caustique

Contrôle électrochimique dans la prévention de la fragilisation caustique

La fissuration par corrosion sous contrainte caustique (CSCC, ou fragilisation caustique) est un mode de défaillance important pour les tubes de chauffage électrique gainés en acier inoxydable 316 en service avec de la soude caustique (NaOH) à des températures élevées (par exemple, évaporateurs, concentrateurs ou réchauffeurs de conduites de transfert caustique). Le SCC caustique se produit dans des solutions chaudes de NaOH à des températures supérieures à environ 70-80 degrés, la sensibilité augmentant considérablement avec la température et la concentration caustique. Ceci est différent du chlorure SCC, qui nécessite des combinaisons particulières de température et de concentration de chlorure. À 50 % de NaOH (une concentration industrielle typique) à 120 degrés, le 316 est très sensible au CSCC dans des conditions de corrosion libre, avec des fissures se développant en quelques jours, voire semaines. Le CSCC peut être totalement évité par l'utilisation d'une protection anodique appliquée (c'est-à-dire un contrôle potentiostatique du métal dans la région passive). Le paramètre important est le potentiel appliqué par rapport à une électrode de référence (souvent Ag/AgCl). La plage passive pour 316 dans 50 % NaOH à 120 degrés est d'environ -200 mV à +200 mV par rapport à Ag/AgCl. La fissuration se produit à des potentiels inférieurs à -200 mV (région active) ou supérieurs à +200 mV (région transpassive). Cet article quantifie les fenêtres potentielles de protection anodique pour la prévention du CSCC à différentes températures et concentrations caustiques.

Mécanisme de fissuration par corrosion sous contrainte caustique et sa prévention

Le SCC caustique de l'acier inoxydable 316 est la dissolution sélective du revêtement passif aux joints de grains (fissuration intergranulaire dans les alliages inférieurs ; transgranulaire dans le 316 à des températures plus élevées) sous contrainte de traction dans des solutions concentrées de NaOH. Le film passif du 316 dans la soude caustique est un film d'hydroxydes/oxydes de fer et de chrome qui n'est stable que dans une plage de potentiel limitée. En dessous de la plage de potentiel passif (potentiels négatifs plus élevés), le métal se corrode de manière agressive (corrosion générale). Au-dessus de la plage passive (potentiels positifs plus élevés), une dissolution transpassive se produit, dans laquelle le chrome est oxydé en chromate soluble (CrO4 2-) et le SCC est initié. Une tension anodique régulée dans la plage passive stabilise le film passif et supprime la force motrice d'un claquage localisé.

Fenêtres de protection anodique quantifiée pour 50 % de NaOH à 120 C

La plage passive et les limites de fissuration en fonction de la tension appliquée par rapport à Ag/AgCl (3M KCl) ont été déterminées dans 50 % de NaOH à 120 degrés par des tests potentiostatiques contrôlés sur de l'acier inoxydable 316 (échantillons de courbure en U- sous contrainte de traction constante).

Applied Potential (mV vs. Ag/AgCl, 3M KCl) Electrochemical Region Corrosion Rate (mm/year)CSCC Initiation Time (hrs) Surface Condition 120°C 50% NaOH Service Recommended After 1000 hours Active corrosion < -400 Immediate (active) 5-10 Severe general corrosion No -400 to -250 Active/transition 1-5 10-50 Pitting + general loss No -250 to -2000Mixed (active edge) 0.5-1.0 50-200 Localised attack Not advised -200 to -150 Passive (low) 0.02-0.05 >5 000 Bright, aucune attaque Acceptable (limite)
-150 to +100 Passive (optimum) 0.01-0.02 >10 000 Brillant, passif Meilleur +100 à +200 Passif (élevé) 0.02-0.05 2, 000-5 000 Teinte (épaississement de l'oxyde) Acceptable +200 à +250 Bord transpassif 0.1-0.3 500-1, 500 Légères piqûres Marginal +250 à +350 Transpassif 0.5-1.0 100-500 Fissures CSCCNon recommandé > +350 Evolution de l'oxygène 1-5<100 Severe CSCC + pitting No
Influence de la concentration caustique et de la température sur la plage de potentiel de protection

La fenêtre de potentiel passif varie en fonction de la concentration caustique et de la température. Ce qui suit est un tableau des potentiels de protection recommandés dans diverses conditions.

NaOH Conc. (% en poids) Température (degrés) Plage passive (mV par rapport à Ag/AgCl, 3M KCl) Potentiel de protection optimal (mV) Densité de courant minimale recommandée pour la protection (mA/cm2)
30 100 -300 à +50 -150 0.1 30 120 -250 à +100 -100 0.2 40 100 -250 à +100 -100 0.2 40 120 -200 à +150 -50 0.3 50 100 -200 à +150 -50 0.3 50 120 -150 à +200 0 0.5 50 140 -100 à +250 (rétrécissement) +50 0.8 60 100 -150 à +200 0 0.4 60 120 -100 à +250 +50 0.7 70 100 -100 à +200 (rétrécissement) +50 0.6
Spécifications des systèmes de protection anodique pratiques pour les radiateurs 316

Les paramètres système suivants offrent une prévention CSCC fiable pour les éléments chauffants à gaine 316 en service caustique chaud avec protection anodique :

Paramètre système Spécification requise Méthode de vérification
Électrode de référence Ag/AgCl avec 3M KCl, stable jusqu'à 120 degrés Étalonnage avant l'installation-
Electrode de travail (réchauffeur) Reliée à la borne positive du potentiostatVérifier la continuité
Contre-électrode (cathode)Platine ou titane platiné.Rapport de surface minimum cathode:anode 1:2
Étalonnage du potentiostat Point de consigne potentiel -50 à 0 mV (pour 50 % NaOH à 120 degrés)
Tolérance possible ± 20 mVEnregistrement des données
Densité de courant requise 0,3-0,8 mA/cm² en fonction de la températureCourant initial dans le trajet
Failsafe Interlock -If potential drifts >+250 mV ou<-250 mV, shut-down heater Alarm + shut-down
Identification sur le terrain d'une protection contre les substances caustiques défaillante

Un radiateur 316 se fissure sous l'effet d'une charge caustique malgré un blindage anodique. Trois scénarios de défaillance sont possibles. Premièrement, une éventuelle dérive dans la zone transpassive (+200 à +350 mV) provoque des fissures transgranulaires SCC avec une oxydation sévère (surface teintée). Deuxièmement, la dérive potentielle vers la région active (<-200 mV) leads to widespread corrosion with pitting. Third, loss of power to the potentiostat (unprotected operation) leads to fast CSCC, with cracks developing within 50-200 hours. The cause will be determined by reviewing the log of the failed heater (if logged). Proper anodic protection can be restored by recalibrating the reference electrode, inspecting electrical connections and optionally reducing the heater power density.

Conclusion : Spécification de la protection anodique pour le service caustique

La prévention de la fissuration par corrosion sous contrainte caustique des radiateurs en acier inoxydable 316 dans 50 % de NaOH à 120 degrés n'est réalisée qu'en maintenant le potentiel métallique entre -150 et +200 mV par rapport à Ag/AgCl (3M KCl), dans la fenêtre passive.