Quelle est l'épaisseur maximale autorisée de paroi de gaine en acier inoxydable 316 pour un thermoplongeur électrique dans de l'eau désionisée de haute pureté à plus de 90 degrés Celsius ? Quelle est l'épaisseur maximale autorisée de paroi de gaine en acier inoxydable 316 pour un thermoplongeur électrique dans de l'eau désionisée de haute pureté à plus de 90 degrés Celsius ?

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 degrés), la solubilité de l'oxygène diminue et le potentiel de corrosion augmente, entraînant un passage de la corrosion passive à la corrosion active. L'épaisseur de paroi de la gaine 316 détermine la tolérance à la corrosion pendant la durée de vie du radiateur et la température de surface pour une certaine densité de watts. Les statistiques publiées sur le taux de corrosion, ainsi que l'expérience pratique du secteur de l'eau ultra pure, sont utilisées pour déterminer l'épaisseur de paroi maximale acceptable pour 316 gaines dans le service d'eau déminéralisée de haute pureté.

Mécanismes de corrosion de l’acier inoxydable 316 dans l’eau déminéralisée à haute température
Dans l'eau désionisée de haute pureté (résistivité > 1 mégohm-centimètre), la concentration d'ions hostiles, tels que les chlorures, est très faible. Mais cette absence de sels dissous ne rend pas nécessairement l’eau agréable. Pour des températures supérieures à 80 degrés, l'acier inoxydable 316 est sujet à une corrosion générale et plus sérieusement à une corrosion localisée aux endroits où le film passif est brisé. Le taux de corrosion dans l’eau déionisée est lié à Arrhenius, augmentant d’environ un facteur deux pour chaque augmentation de température de 25 degrés. Le taux de corrosion général du 316 dans l'eau déminéralisée à 90 degrés est d'environ 0,02 à 0,05 mm/an. Le taux augmente jusqu'à 0,10-0,20 millimètres par an à 120 degrés C. À 150 degrés, le taux est de 0,30 à 0,50 mm/an. Même si ces taux peuvent paraître faibles, pour un radiateur conçu pour fonctionner en continu pendant 5 à 10 ans, un taux d'usure de 0,10 mm par an représente 0,5 à 1,0 mm d'épaisseur de paroi. L'épaisseur initiale de la gaine de 1,0 mm serait réduite à 0,5 mm après cinq ans, lorsque l'intégrité mécanique est douteuse. La rouille n’est pas parfaitement uniforme. La corrosion par piqûres et fissures, en particulier au niveau des interfaces de montage et des zones de soudure, peut entraîner des taux de pénétration localisés deux à cinq fois supérieurs au taux de corrosion général.

Effets de l'épaisseur de paroi et de la durée de vie de l'eau déminéralisée
La relation entre l'épaisseur de paroi de la gaine 316 et la durée de vie dans l'eau déminéralisée à haute température est presque linéaire si la corrosion générale est le mécanisme principal. Pour une durée de vie de 5 ans à 95 degrés avec un taux de corrosion de 0,04 mm/an, la tolérance de corrosion requise est de 0,20 mm. Ceci avec une épaisseur de paroi structurelle minimale de 0,7 mm signifie qu'une épaisseur de paroi initiale de 0,9 mm est nécessaire. Une gaine de 1,2 mm donnerait une marge de sécurité de 0,3 mm au-delà de la limite de corrosion et donnerait une durée de vie possible supérieure à huit ans. Mais pour une densité de watts donnée, des murs plus épais signifient des températures plus élevées sur la surface extérieure. Des températures de surface plus élevées accélèrent de manière exponentielle la corrosion dans l’eau déminéralisée. Une gaine de 2,0 mm à 10 W/cm² dans de l'eau à 95 degrés peut avoir une température de surface extérieure de 115 degrés. Le taux de corrosion à cette température est d'environ 0,08 mm par an-le double de celui d'une gaine de 1,2 mm à une température de surface de 105 degrés. La gaine plus épaisse nécessite une plus grande marge de corrosion, mais se corrode également plus rapidement. Cette interaction établit une épaisseur de paroi idéale pour une durée de vie maximale plutôt qu'une relation monotone. Les données de corrosion publiées ont été utilisées pour calculer l'épaisseur optimale de paroi de gaine 316 pour une durée de vie maximale dans de l'eau déionisée à 95 degrés à 10 W/cm², soit de l'ordre de 1,4 mm. Une marge de corrosion inférieure à 1,0 mm n'est pas suffisante. À plus de 1,8 mm, la corrosion accrue due à la température de surface plus élevée domine le matériau supplémentaire.

Épaisseur de paroi maximale recommandée pour un service avec de l'eau déminéralisée
Le tableau suivant donne les épaisseurs de paroi de gaine maximales suggérées de 316 pour les thermoplongeurs électriques dans un service d'eau déminéralisée de haute -pureté. Les valeurs concernent un fonctionnement continu, des niveaux d'oxygène < 100 parties par milliard et une résistivité > 1 mégohm-centimètre. Les taux de corrosion peuvent être plus élevés et des systèmes avec des niveaux d'oxygène plus élevés ou une pureté inférieure et des parois plus minces doivent être fournis.

Température de l'eau déminéralisée Plage de densité de puissance recommandée Maximum recommandé 316 Épaisseur de paroi de gaine Durée de vie prévue à l'épaisseur maximale Mode de défaillance à l'épaisseur maximale Recommandation alternative 80 – 90 degrés 8 – 12 W/cm2 1.8 mm 8 – 10 ans Amincissement général par corrosion Acceptable pour les applications à longue durée de vie- 80 – 90 degrés 12 – 15 W/cm2 1.4 mm 6 – 8 ans Corrosion plus contrainte thermique Recommandation standard 90 – 100 degrés 6 – 10 W/cm2 1.6 mm 5 – 7 ans Piqûres au niveau des défauts de surface Réduire la densité de puissance pour une durée de vie plus longue
90 – 100 degrés 10 – 12 W/cm² 1,2 mm 4 – 6 ans Corrosion générale Spécification la plus typique 100 – 120 degrés 4 – 8 W/cm² 1,2 mm 3 – 5 ans Corrosion accélérée Envisager une gaine en titane
100 – 120 degrés 8 – 10 W/cm² 1,0 mm 2 – 3 ans Fatigue par corrosion Alliage de mise à niveau recommandé
>120 degrés<5 W/cm² Not advisable Unpredictable Sudden localised corrosion Use titanium or alloy C-276
Pour les applications d'eau déionisée au-delà de 100 degrés, les ingénieurs devraient sérieusement envisager de passer de l'acier inoxydable 316 au titane ou à un alliage à haute teneur en nickel tel que l'alliage 22. Le titane a un taux de corrosion dans l'eau déionisée à haute température de deux ordres de grandeur inférieur à 316. Cela permet des parois nettement plus fines et une durée de vie plus longue. Le coût initial plus élevé du titane est souvent compensé par un remplacement moins fréquent et par l’absence de risque de contamination métallique lors des opérations sensibles.

Modifications de conception pour augmenter la durée de vie sans augmenter l'épaisseur de la paroi des tuyaux
Lorsqu'une gaine épaisse en 316 est requise pour des raisons mécaniques telles que le confinement de la pression ou la résistance aux vibrations dans une application d'eau déionisée, trois ajustements de conception peuvent compenser la corrosion accélérée due à une température de surface plus élevée. La première et la plus efficace consiste à minimiser la densité en watts. La diminution de la température de la surface extérieure de la gaine d'environ 10 à 15 degrés lorsque la densité de puissance passe de 12 W/cm² à 6 W/cm² entraîne une diminution du taux de corrosion de 30 à 40 %. Le compromis est que vous aurez besoin de radiateurs plus longs ou plus gros pour obtenir la même puissance globale. La deuxième modification consiste à passiver la surface de la gaine après sa fabrication. Le traitement de passivation à l'acide nitrique ou à l'acide citrique élimine le fer libre et les impuretés de surface pour générer un revêtement passif plus uniforme et plus stable qui résiste au début de la corrosion. Lors de tests contrôlés, les gaines 316 passivées ont présenté des taux de corrosion 20-30 % inférieurs à ceux des échantillons non passivés dans de l'eau déminéralisée. La troisième modification concerne le contrôle chimique de l’eau. Maintenez l’oxygène dissous en dessous de 5 parties par milliard. Pour ce faire, utilisez une couverture à l'azote ou un dégazage sous vide. Cela diminue la vitesse de réaction cathodique et inhibe la corrosion. Mais des niveaux d’oxygène très faibles peuvent également conduire à une instabilité passive du film. Une fenêtre limitée de 5 à 50 parties par milliard est donc préférable. Ces ajustements ne sont pas possibles pour la plupart des systèmes d'eau déminéralisée et le contrôle de l'épaisseur des parois est le principal moyen de contrôler la durée de vie de la corrosion. Au lieu de choisir une épaisseur de paroi selon les règles empiriques de la mécanique, les ingénieurs devraient informer le fabricant du radiateur de la durée de vie requise et demander une tolérance de corrosion calculée en fonction de la température de fonctionnement prévue et de la densité en watts.