Quelle est l'épaisseur maximale autorisée de paroi de gaine en acier inoxydable 316 pour un thermoplongeur électrique en service d'acide nitrique au-dessus de 20 % de concentration à 80 degrés Celsius ?

Les ingénieurs de procédés chimiques qui choisissent l'acier inoxydable 316 comme matériau de gaine pour les thermoplongeurs électriques dans le service d'acide nitrique pour les lignes de décapage des métaux, la fabrication de produits chimiques et les systèmes de digestion en laboratoire, doivent être conscients à la fois de la résistance à la corrosion et des performances thermiques. L'acide nitrique est unique parmi les acides minéraux en ce sens qu'il est oxydant. Cela aide à développer une couche passive sur l'acier inoxydable. Mais le 316 peut encore souffrir d'une corrosion rapide à des concentrations supérieures à 20 % et à des températures supérieures à 60 degrés, surtout si l'acide est contaminé par des chlorures ou si la température de surface de la gaine est trop élevée. L'épaisseur de paroi de la gaine 316 a un impact sur la tolérance à la corrosion pendant la durée de vie du radiateur et sur la température de surface à une densité de watts particulière. En fait, des parois plus épaisses augmentent la température de surface, ce qui pourrait entraîner une corrosion plus rapide. Sur la base des diagrammes d'isocorrosion publiés et des données de terrain, cet article présente l'épaisseur de paroi maximale autorisée pour 316 gaines en service acide nitrique.

Résistance à la corrosion de l'acier inoxydable 316 à l'acide nitrique
316 stainless steel is protected in high-concentration nitric acid by a passive chromium oxide coating. The corrosion rate is usually < 0.1 mm per year at normal temperature. The corrosion rate increases with temperature but the relation is not monotonic. At nitric acid concentrations of 20 to 40% and temperatures over 70°C, 316 is in the transpassive region where the protective coating breaks down locally, resulting in pitting and intergranular assault. At concentrations >60%, l'acide devient fortement oxydant et le film passif se reforme à nouveau réduisant les taux de corrosion. La région la plus agressive pour le 316 dans l'acide nitrique se situe autour d'une concentration de 30 à 50 % à 80 à 100 degrés, où les taux de corrosion peuvent atteindre 0,5 à 1,0 mm par an. Le flux de chaleur vers un thermoplongeur fait que la température de la surface de la gaine est généralement de 20 à 50 °C supérieure à la température globale de l'acide. Un appareil de chauffage dans de l'acide en vrac à 80 degrés à 8 W/cm² aurait une température de surface de gaine de 105 à 115 degrés, ce qui se situe dans la plage élevée du taux de corrosion. Cependant, la relation entre l'épaisseur de paroi, la densité en watts et la température de surface signifie qu'une gaine plus épaisse, augmentant la température de surface pour une densité en watts donnée, pourrait en fait raccourcir la durée de vie, tout en fournissant davantage de matériau de départ.

Effet de l’épaisseur de paroi sur le taux de corrosion et la durée de vie
Avec l'augmentation de l'épaisseur de la paroi de la gaine 316, la résistance thermique supplémentaire augmente linéairement avec la température de la surface extérieure pour une certaine densité de watt et une certaine température de l'acide en vrac. Le taux de corrosion à 40 % d'acide nitrique et à une température globale de 80 degrés est d'environ 0,3 mm/an, la température de surface de la gaine étant de 95 degrés. À 110 degrés, le taux de corrosion augmente jusqu'à environ 0,7 mm par an. À 125 degrés, le taux approche 1,2 mm/an. Considérons maintenant un radiateur avec 6 W/cm$^2$ et une épaisseur de paroi de 1,0 mm. La température de surface est d'environ 100 degrés, ce qui donne un taux de corrosion de 0,4 mm par an. La tolérance à la corrosion de 0,4 mm par rapport à l'épaisseur de 1,0 mm permet une intégrité structurelle de 0,6 mm, ce qui donne une durée de vie sûre d'environ 2,5 ans. Le même radiateur avec une épaisseur de paroi de 2,0 mm et la même densité de watts a une température de surface d'environ 118 degrés et donc un taux de corrosion de 0,9 mm par an. Avec une tolérance de corrosion de 0,9 mm sur 2,0 mm, cela laisse 1,1 mm, ce qui donne une durée de vie d'environ 2,4 ans - pratiquement la même mais avec deux fois l'épaisseur de paroi d'origine. La paroi plus épaisse ne prolonge pas la durée de vie car elle se corrode plus rapidement. Cette conclusion paradoxale suggère que pour le fonctionnement à l’acide nitrique, il existe une épaisseur de paroi idéale qui équilibre le matériau initial par rapport à l’accélération de la corrosion. Les calculs basés sur les données de corrosion publiées indiquent une épaisseur de paroi de gaine 316 idéale d'environ 1,2 à 1,4 mm pour 40 % d'acide nitrique à 80 degrés avec une densité en watts de 6 à 8 W/cm² pour offrir la plus grande durée de vie.

Épaisseur de paroi maximale recommandée pour le service à l'acide nitrique
Le tableau suivant indique les épaisseurs de paroi de gaine maximales recommandées pour les thermoplongeurs électriques en service à l'acide nitrique. Les valeurs concernent un fonctionnement continu, un acide propre sans contamination par les chlorures et une durée de vie minimale de deux ans. Pour des exigences de durée de vie plus longues, il est plus avantageux de réduire la densité en watts que d'augmenter l'épaisseur de la paroi.

Concentration d'acide nitrique Température de l'acide en vrac Plage de densité de watts recommandée Épaisseur de paroi de gaine maximale recommandée 316 Taux de corrosion prévu à l'épaisseur maximale Durée de vie estimée à l'épaisseur maximale 10 – 20 % Jusqu'à 90 degrés 8 – 12 W/cm² 2,0 mm 0,15 – 0,25 mm/an 5 – 8 ans 20 – 30 % 60 – 80 degrés 6 – 10 W/cm² 1,6 mm 0,30 – 0,50 mm/an 3 – 5 ans 20 – 30 % 80 – 95 degrés 4 – 7 W/cm² 1,2 mm 0,50 – 0,80 mm/an 2 – 3 ans 30 – 50 % 60 – 80 degrés 4 – 6 W/cm² 1,2 mm 0,60 – 1,00 mm/an 1,5 – 2,5 ans 30 – 50 % 80 – 95 degrés 2 – 4 W/cm² 1,0 mm 0,80 – 1,20 mm/an 1 – 2 ans 50 – 70 % Jusqu'à 80 degrés 6 – 10 W/cm² 2,0 mm 0,10 – 0,20 mm/an 5 – 10 ans 50 – 70 % 80 – 100 degrés 4 – 7 W/cm² 1,6 mm 0,20 – 0,35 mm/an 4 – 6 ans
Plus de 70 %Jusqu'à 100 degrés 8 – 12 W/cm² 2,5 mm En dessous de 0,10 mm/anPlus de 10 ans
L'acier inoxydable 316 est marginal pour l'acide nitrique dans la plage de concentration de 30 à 50 % à des températures supérieures à 80 °C, quelle que soit l'épaisseur de la paroi. Les ingénieurs dans ces conditions devraient envisager de passer à un acier inoxydable à haute teneur en silicium tel que le Durimet 20 ou à un alliage de titane. Le titane présente une résistance élevée à la corrosion dans l'acide nitrique à toutes les concentrations et températures avec des taux de corrosion inférieurs à 0,05 mm/an, même à température d'ébullition. Le coût initial plus élevé du titane est compensé par sa durée de vie plus longue et l’élimination de la possibilité de défaillance catastrophique due à une corrosion localisée.

Modifications de conception pour une durée de vie prolongée sans augmenter l'épaisseur de la paroi
Trois modifications de conception peuvent augmenter la durée de vie dans un environnement acide nitrique difficile où l'utilisation d'une gaine 316 est nécessaire et où l'épaisseur de la paroi est limitée par des contraintes thermiques ou de fabrication. La première et la plus efficace consiste à minimiser la densité en watts. L'abaissement de la densité de watt de 6 W/cm² à 3 W/cm² entraîne une diminution de la température de surface de la gaine d'environ 15 à 20 degrés, ce qui est suffisant pour réduire le taux de corrosion de 40 à 60 % dans la zone transpassive. Le compromis est plus de longueur ou de diamètre de radiateur. La deuxième modification consiste à passiver la surface de la gaine avec de l'acide nitrique fort avant l'installation. Une immersion de 30 minutes dans de l'acide nitrique à 30 % à 60 deg C diminue le taux de corrosion initial de 20-30 %, épaissit le revêtement passif et élimine la contamination ferreuse de la surface. Le troisième changement concerne le contrôle de la chimie acide. La concentration en ions nitrate doit être maintenue au-dessus de 0,5 % et même des traces de contamination par des chlorures-en dessous de 50 ppm doivent être évitées pour éviter le passage à une corrosion active. Si les chlorures ne peuvent pas être contrôlés, quelle que soit l’épaisseur de la paroi, le 316 est inapproprié. Pour les applications importantes de l'acide nitrique, les ingénieurs doivent exiger des tests de corrosion sur échantillons avec des échantillons du matériau réel de la gaine dans l'acide de procédé réel à la température de surface prévue. Les statistiques de corrosion publiées peuvent servir de guide, mais la pureté réelle de l'acide et le contrôle de la température peuvent varier considérablement. Le coût des tests de coupons est faible comparé au coût d’une panne inattendue du réchauffeur qui contamine un lot de produits ou arrête une ligne de production. Lors de la commande d'appareils de chauffage pour un fonctionnement à l'acide nitrique, indiquez toujours l'épaisseur de paroi et la densité en watts attendues et demandez au fabricant la température de surface prévue et le taux de corrosion estimé associé. Si le fournisseur ne peut pas livrer les calculs, la candidature ne doit pas lui être remise.