За инжењере који пројектују електричне имерзионе грејаче за производњу полупроводника, системе за фармацеутску воду и лабораторијску опрему, дејонизована вода високе{0}}чистоће представља парадокс. Дејонизована вода је агресивно корозивна за многе метале упркос својој високој електричној отпорности јер јој недостају растворени јони који нормално формирају заштитне пасивне слојеве. За нерђајући челик 316, пасивни филм хром оксида остаје стабилан у дејонизованој води на собној температури. Међутим, на повишеним температурама изнад 80°Ц, растворљивост кисеоника се смањује док се потенцијал корозије повећава, што доводи до преласка из пасивне у активну корозију. Дебљина зида омотача 316 одређује и дозвољену количину корозије током радног века грејача и температуру површине за дату густину у ватима. Овај чланак утврђује максималну дозвољену дебљину зида за 316 омотача у дејонизованој води високе{10}}чистоће на основу објављених података о стопи корозије и практичног искуства из индустрије ултра чисте воде.
Механизми корозије нерђајућег челика 316 у дејонизованој води на високој{1}}
У дејонизованој води високе{0}}чистоће са отпорношћу изнад 1 мегоом-центиметар, концентрација агресивних јона као што су хлориди је изузетно ниска. Међутим, одсуство растворених соли не чини воду бенигном. На температурама изнад 80°Ц, нерђајући челик 316 може бити подвргнут општој корозији и, што је још важније, локализованој корозији на местима где је пасивни филм оштећен. Брзина корозије у дејонизованој води прати Аррхениусов однос, приближно се удвостручује за сваких 25°Ц повећања температуре. На 90°Ц, општа стопа корозије од 316 у дејонизованој води је приближно 0,02 до 0,05 милиметара годишње. На 120°Ц, стопа се повећава на 0,10 до 0,20 милиметара годишње. На 150°Ц, стопа достиже 0,30 до 0,50 милиметара годишње. Ове стопе могу изгледати ниске, али за грејач за који се очекује да ради непрекидно 5 до 10 година, стопа од 0,10 мм годишње троши 0,5 до 1,0 мм дебљине зида. Плашт од 1,0 мм у почетку би се смањио на 0,5 мм након пет година, у ком тренутку механички интегритет постаје упитан. Корозија није савршено равномерна. Корозија удубљења и пукотина може произвести локализоване стопе продирања два до пет пута веће од опште стопе корозије, посебно на интерфејсима за монтажу и зонама завара.
Како дебљина зида утиче на век трајања у дејонизованој води
Однос између дебљине зида омотача 316 и радног века у дејонизованој води на високој{1}}температури је приближно линеаран, под претпоставком да доминира општа корозија. За потребан радни век од пет година на 95°Ц са стопом корозије од 0,04 мм годишње, потребан додатак за корозију је 0,20 мм. Ако се ово дода минималној дебљини зида конструкције од 0,7 мм, добија се потребна почетна дебљина од 0,9 мм. Плашт од 1,2 мм би обезбедио сигурносну маргину од 0,3 мм изнад дозвољене корозије, продужавајући потенцијални век преко осам година. Међутим, повећање дебљине зида такође повећава температуру спољашње површине за дату густину у ватима. У дејонизованој води, више температуре површине експоненцијално убрзавају корозију. Плашт од 2,0 мм који ради при 10 В/цм² у води од 95°Ц може имати температуру спољашње површине од 115°Ц, при чему је стопа корозије приближно 0,08 мм годишње-двоструко већа од оне од омотача од 1,2 мм на температури површине од 105°Ц. Дебљи омотач захтева више корозије, али и брже кородира. Ова интеракција производи оптималну дебљину зида за максимални радни век, а не монотон однос. Прорачуни засновани на објављеним подацима о корозији показују да је за дејонизовану воду на 95°Ц при 10 В/цм², оптимална дебљина зида омотача 316 за максимални радни век износи приближно 1,4 мм. Испод 1,0 мм, додатак за корозију је недовољан. Изнад 1,8 мм, убрзана корозија од више површинске температуре надокнађује додатни материјал.
Максимална препоручена дебљина зида за дејонизовану воду
Следећа табела даје препоручене максималне дебљине омотача од 316 за електричне урањајуће грејаче у дејонизованој води високе -чистоће. Вредности претпостављају континуирани рад, ниво раствореног кисеоника испод 100 делова на милијарду и отпор изнад 1 мегоом-центиметар. За системе са вишим нивоом кисеоника или нижом чистоћом, стопе корозије могу бити веће и треба специфицирати тање зидове.
| Температура дејонизоване воде | Препоручени опсег густине у ватима | Максимална препоручена дебљина зида омотача 316 | Очекивани радни век при максималној дебљини | Режим грешке при максималној дебљини | Алтернативна препорука |
|---|---|---|---|---|---|
| 80 – 90°Ц | 8 – 12 В/цм² | 1,8 мм | 8 – 10 година | Опште проређивање корозије | Прихватљиво за дуготрајне{0}}апликације |
| 80 – 90°Ц | 12 – 15 В/цм² | 1,4 мм | 6 – 8 година | Корозија плус термички стрес | Стандардна препорука |
| 90 – 100°Ц | 6 – 10 В/цм² | 1,6 мм | 5 – 7 година | Питтинг на површинским дефектима | Смањите густину у ватима за дужи живот |
| 90 – 100°Ц | 10 – 12 В/цм² | 1,2 мм | 4 – 6 година | Општа корозија | Најчешћа спецификација |
| 100 – 120°Ц | 4 – 8 В/цм² | 1,2 мм | 3 – 5 година | Убрзана корозија | Узмите у обзир титанијумски омотач |
| 100 – 120°Ц | 8 – 10 В/цм² | 1,0 мм | 2 – 3 године | Замор од корозије | Препоручује се надоградња легуре |
| Изнад 120°Ц | Испод 5 В/цм² | Не препоручује се | Непредвидиво | Брза локализована корозија | Користите титанијум или легуру Ц-276 |
За било коју примену дејонизоване воде изнад 100°Ц, инжењери би требало да размотре надоградњу са нерђајућег челика 316 на титанијум или легуре високог{2}}никла као што је легура 22. Титанијум има стопу корозије у дејонизованој води на високим{4}}има која је два реда величине, што омогућава много дужи радни век од 316. Већи почетни трошак титанијума се често надокнађује смањењем учесталости замене и елиминисањем ризика од металне контаминације у осетљивим процесима.
Модификације дизајна за продужење радног века без повећања дебљине зида
Када је дебео омотач од 316 потребан из механичких разлога-као што су задржавање притиска или отпорност на вибрације-у примени дејонизоване воде, три модификације дизајна могу да ублаже убрзану корозију од више површинске температуре. Први и најефикаснији је смањење густине вата. Преполовљење густине у ватима са 12 В/цм² на 6 В/цм² смањује температуру спољашње површине плашта за приближно 10–15°Ц, што смањује стопу корозије за 30–40%. Замена{14}}је повећање дужине или пречника грејача да би се постигла иста укупна снага. Друга модификација је пасивизација површине омотача након производње. Пасивациони третман азотном киселином или лимунском киселином уклања слободно гвожђе и површинске загађиваче, стварајући уједначенији и стабилнији пасивни филм који је отпоран на иницирање корозије. Пасивирани омоти 316 у дејонизованој води су показали стопе корозије 20–30% ниже од не-непасивираних узорака у контролисаном тестирању. Трећа модификација укључује контролу хемије воде. Одржавање раствореног кисеоника испод 5 делова на милијарду-које се постиже покривањем азотом или вакуумским дегазирањем-смањује брзину катодне реакције и успорава корозију. Међутим, изузетно низак ниво кисеоника такође може да подстакне нестабилност пасивног филма, тако да је уски прозор од 5-50 делова на милијарду оптималан. За већину система дејонизоване воде, ове модификације нису практичне, што чини избор дебљине зида примарним алатом за управљање животним веком корозије. Инжењери би требало да специфицирају циљни радни век произвођачу грејача и затраже израчунати додатак за корозију на основу очекиване радне температуре и густине у ватима, уместо да бирају дебљину зида само на основу механичких правила.
