Натријум хипохлорит (НаОЦл) се широко користи за дезинфекцију у комуналној пречишћавању воде, санитацији за прераду хране и фармацеутским ЦИП (чисто-на- месту) системима. Електричне цеви за грејање се често постављају у хипохлоритне рециркулацијске петље како би се одржала температура раствора од 30-50 степени за оптималну ефикасност дезинфекције. Међутим, кварови на терену из више постројења за пречишћавање воде показују да 316 омотача од нерђајућег челика развија високо локализован, озбиљан напад жлебова на трофазној граници ваздушне-течности{8}}паре-у року од 200–500 сати повременог рада. Овај напад се не примећује у сталном потапању или у потпуно сувим условима. Трофазна граница – где омотач излази из раствора хипохлорита у парни простор изнад – доживљава јединствену комбинацију услова: наизменичне циклусе влажења и сушења, обогаћивање кисеоником из контакта са ваздухом, испаравање{15}}индуковане концентрације хипохлорита и хлорида и распадање хлорног гаса₂Ц до стварања гаса хлорида). Резултат је самоодржива корозивна ћелија која сече ободни жлеб у омотачу на нивоу течности, често потпуно продирући у зид у року од неколико недеља. Овај чланак квантификује стопу корозије жлебова на трофазној граници у НаОЦл сервису и пружа стратегије дизајна и рада за спречавање овог режима квара.
Електрохемија тро-фазне границе у растворима хипохлорита
Раствори натријум хипохлорита су инхерентно нестабилни, разлажу се према 3НаОЦл → 2НаЦл + НаЦлО₃ и такође преко 2НаОЦл → 2НаЦл + О₂. На 30-50 степени, разлагање се убрзава. На тро-граници (ваздух{11}}течност-облога), танак филм раствора хипохлорита који влажи омотач изнад нивоа течности подвргава се брзом испаравању, концентришући хипохлорит од типичног 0,5–2,0% доступног хлора до чак 10–15% хлорног филма. Концентровани хипохлорит се брже разлаже, стварајући гасни хлор (Цл₂), који је веома корозиван за нерђајући челик 316, и стварајући локално окружење са ниским{19}пХ јаком оксидацијом. Истовремено, наизменични циклуси влажења и сушења спречавају стварање стабилног пасивног филма. Током сувог дела циклуса, сваки пасивни филм који се формира постаје дехидриран и напукнут; током периода поновног влажења, свеж хипохлорит напада изложени метал пре него што се може формирати нови филм.
Механизам жлебова се убрзава формирањем ћелије за диференцијалну аерацију. Подручје испод линије течности је исцрпљено кисеоником-(због разлагања хипохлорита који троши кисеоник), док је танак филм на тро-граници три фазе богат кисеоником-из контакта са ваздухом. Регион богат кисеоником{5}} постаје катодан, док метал одмах испод постаје анодичан. Анодна струја се концентрише на линији течности, стварајући жлеб који се временом продубљује и шири.
Квантификоване стопе корозије жлебова на тро{0}}овој граници
Контролисано испитивање је спроведено коришћењем 316 узорака омотача од нерђајућег челика (1,5 мм зид, 12 мм ОД, -отопљен у раствору) делимично уроњених у 1,0% расположиви раствор хлора НаОЦл (пХ 10,5 почетни) на 40 степени, са нивоом течности одржаваним на средини{7}}. Тест се одвијао између загревања (плашт под напоном на температуру површине од 50 степени) и мировања (без грејања, купатило од 40 степени) у циклусу од 6 сати укљученог и искљученог од 6 сати. Узорци су испитивани у интервалима на дубину жлеба на оригиналном нивоу течности. Дубина жлеба је мерена пресецањем и оптичком микроскопијом.
| Време експозиције (сати) | Број мокрих{0}}сувих циклуса (по 6 сати) | Максимална дубина жлеба (µм) | Ширина жлеба (мм) | Смањење дебљине зида на жлебу (од 1,5 мм) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0% |
| 100 | 8 (приближно) | 45 | 0.8 | 3% |
| 200 | 17 | 110 | 1.2 | 7% |
| 300 | 25 | 210 | 1.5 | 14% |
| 400 | 33 | 380 | 2.0 | 25% |
| 500 | 42 | 620 | 2.5 | 41% (близу перфорације) |
| 600 | 50 | 880 (перфорирано) | 3.0 | 59% |
Брзина удубљења била је приближно 1,5–2,0 µм по сату излагања, скоро константна након почетног периода инкубације од 50–100 сати. За зид од 1,5 мм, предвиђено време до перфорације било је 600–800 сати (25–33 дана) под континуираним циклусом. У служби на терену са дужим-циклусима и променљивим условима, квар се обично дешавао у року од 200–500 сати (8–21 дан).
Поређење са континуираним урањањем и другим варијаблама
Да би се изоловао трофазни гранични ефекат, контролни тестови су спроведени под различитим условима. Следећи подаци показују да континуирано урањање (без мокрог-сувог циклуса) и потпуно суво излагање производе минималну штету у поређењу са трофазним граничним условом.
| Тест Цондитион | Концентрација НаОЦл (% доступног Цл₂) | Температура (степен) | Време експозиције (сати) | Максимална дубина корозије (µм) | Стање површине |
|---|---|---|---|---|---|
| Потпуно уроњен (без ваздушног интерфејса) | 1.0 | 40 | 500 | 25 | Блага удубљења, уједначена |
| Потпуно уроњен | 1.0 | 50 (плашт загрејан) | 500 | 45 | Удубљење, без жљебова |
| Делимично уроњен, константан ниво течности (без циклуса) | 1.0 | 40 | 500 | 180 (на линији течности) | Жлебљење, али мање озбиљно |
| Делимично уроњен, са мокрим{0}}сувим бициклом (грејач укључен/искључен) | 1.0 | 40/50 | 500 | 620 | Дубоке жлебове |
| Делимично уроњен, пХ контролисан на 9,5 (као натријум карбонат) | 1.0 | 40/50 | 500 | 85 | Благи жлебови |
| Делимично уроњен, са прочишћавањем азотом преко парног простора | 1.0 | 40/50 | 500 | 110 | Смањено урезивање |
| Делимично уроњена, дејонизована вода (без НаОЦл) | 0 | 40/50 | 500 | 0 | Без корозије |
Критични фактори су: присуство хипохлорита, постојање течног-интерфејса паре, мокро-суво кружење и приступ кисеоника парном простору. Елиминисање било ког од ових фактора смањује жлебове за фактор 3–7.
Утицај хемијске концентрације на брзину урезивања
Доступна концентрација хлора у раствору хипохлорита снажно утиче на брзину жлебова. Веће концентрације убрзавају разградњу хипохлорита, производе више гаса хлора и стварају агресивнију концентрацију испаравања. Тестови на константном 40 степени са 6-сатним циклусима мокро-суво и укупном изложеношћу од 500 сати показали су следећу везу:
| НаОЦл доступан Цл₂ (%) | пХ (почетни) | Дубина жлеба на 500 сати (µм) | Време перфорације (сати, зид од 1,5 мм) | Уочена пара Простор Цл₂ Мирис |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 10.0 | 45 | >5000 (није достигнуто) | Ниједан |
| 0.5 | 10.3 | 180 | 2500 | Благи |
| 1.0 | 10.5 | 620 | 600-800 | Јака |
| 2.0 | 11.0 | 1050 (перфорирано пре 500 сати) | 300-400 | Веома јака |
| 1.0 са хватачем хлора (тиосулфат, 10 ппм) | 10.5 | 85 | 2800 | Ниједан |
За типичне 饮用水 дезинфекционе петље које користе 0,5–1,5% НаОЦл, очекивано време перфорације жлебова за 316 омотача је 2–8 недеља. Додатак тиосулфата ефикасно троши слободни хлор и спречава брањење, али може угрозити ефикасност дезинфекције.
Примери кварова на терену из постројења за пречишћавање воде
Истраживање 23 општинска постројења за пречишћавање воде која користе 316 грејача обложених нерђајућим челиком у рециркулацијским петљама НаОЦл (0,5–1,2% доступног Цл₂, 35–45 степени, повремени рад пумпе са мокрим{6}}сувим циклусима сваких 4–12 сати) открило је следеће обрасце кварова:
| Фацилити | Оперативни образац | Приближни мокри{0}}суви циклуси по дану | Измерено време перфорације жлеба |
|---|---|---|---|
| Биљка А (1,2% НаОЦл) | Континуирана рециркулација, константан ниво | 0 (без вожње бицикла) | 8-12 месеци (без жлеба, само удубљења) |
| Биљка Б (1,0% НаОЦл) | Повремено, 6 сати укључено / 6 сати искључено, ниво варира | 2 | 18 дана |
| биљка Ц (0,8% НаОЦл) | Повремено, 8 сати укључено / 16 сати искључено, ниво варира | 1.5 | 25 дана |
| Биљка Д (0,5% НаОЦл) | Повремено, пумпе свака 4 сата, ниво опада између циклуса | 6 | 12 дана |
| Постројење Е (0,5% НаОЦл, са нивоом течности који се одржава константним помоћу вентила са пловком) | Грејање са прекидима, али без циклуса нивоа | 0 (без промене нивоа) | 6 месеци (без утора) |
Постројење А и Постројење Е показују да је одржавање константног нивоа течности (без мокрог{0}}сувог кружења површине омотача) важније од концентрације хипохлорита за спречавање жљебова. Постројења са флуктуацијама нивоа или серијским радом где је грејач изложен током циклуса пражњења доживела су брз отказ без обзира на концентрацију.
Дизајн и оперативне стратегије за спречавање три{0}}фазног урезивања
Три инжењерске стратегије спречавају или драматично смањују трофазно урезивање у НаОЦл сервису. Најпоузданије је осигурати да грејач остане потпуно потопљен у сваком тренутку. Дизајнирајте резервоар или петљу са минималним нивоом течности изнад врха грејног елемента и инсталирајте прекидач ниског{3}}нивоа који искључује -грејач ако ниво течности падне испод врха омотача.
Када је потпуно потапање немогуће, друга стратегија је да се елиминише мокро{0}}циклирање на суво одржавањем константног нивоа течности без обзира на рад пумпе или грејача. Преливна преграда константног-нивоа или вентил за контролу нивоа спречавају да се површина течности креће преко површине омотача.
Трећа стратегија се примењује на системе где се варијације нивоа не могу избећи. Инсталирајте грејач хоризонтално, а не вертикално. У хоризонталној оријентацији, трофазна граница је једна линија дуж врха цеви, а не целог обима, а жлеб који се формира на врху не продире тако брзо кроз границу притиска. Поред тога, хоризонтална цев са грејним елементом смештеним ексцентрично према дну може бити пројектована тако да се горњи део омотача не загрева директно, смањујући локалну температуру на трофазној граници-.
Алтернативни материјали за употребу хипохлорита
Ако се мора користити нерђајући челик 316, али трофазно излагање не може да се елиминише, надоградња материјала омотача пружа одређену корист, иако ниједан уобичајени нерђајући челик није заиста отпоран на трофазно стање хипохлорита.
| Материјал омотача | Дубина жлеба на 500 сати, 1% НаОЦл, 40 степени, мокро-суво циклирање (µм) | Релативна цена (у односу на 316) | Препоручено |
|---|---|---|---|
| 316 нерђајући челик | 620 | 1.0 | Не (брзи отказ) |
| 904Л (УНС Н08904) | 280 | 2.5 | Маргинални |
| Легура 825 (УНС Н08825) | 120 | 4.0 | Прихватљиво са контролом нивоа |
| Титанијум 2 | <10 | 2.2 | да (одлично) |
| Титанијум 7 | <5 | 2.5 | Да (пожељно) |
| ПТФЕ{0}}обложен 316 (безелектрични никл доњи слој) | <5 (coating intact) | 3.0 | Да, али ризик од оштећења премаза |
Титанијум степена 2 или 7 је имун на напад хипохлорита на температурама до 70 степени и остаје пасиван чак и у трофазним условима. Подаци са терена из фабрике за прераду хране која је заменила 316 омотача са титанијумом степена 2 у 0,8% НаОЦл ЦИП петљи нису показала жлебове или удубљења после 24 месеца рада са прекидима, где је 316 омотача претходно отказало сваке 3-4 недеље.
Језик спецификације за грејаче са хипохлоритном петљом
Приликом набавке електричних цеви за грејање за сервис натријум хипохлорита са било каквим потенцијалом за мокро{0}}суво кретање или флуктуацију нивоа, инжењери треба да наведу материјал за омотач од титанијума 2 или 7 степена као минимални захтев. Ако се нерђајући челик 316 користи у постојећем систему, укључите следеће оперативне захтеве: одржавајте ниво течности изнад најгорњег грејног елемента у сваком тренутку помоћу система за контролу нивоа; инсталирајте прекидач ниског{5}}нивоа који је блокиран са контактором грејача да бисте искључили-напон грејача ако ниво падне испод безбедног минимума; дизајнирати систем за континуирани рад са константним нивоом, а не са циклусима одвода{7}}и-пуна серије; и месечно прегледајте омотач на нивоу течности за урезивање помоћу ултразвучног мерења дебљине или визуелне инспекције кроз контролно стакло. За нове инсталације где концентрација хипохлорита прелази 0,2% доступног Цл₂ и температура прелази 35 степени, наведите материјал омотача од титанијума 7 и хоризонталну оријентацију грејача. Препознајући да тро{14}}граница три фазе у хипохлоритној употреби ствара јединствено агресивно микро-окружење које се суштински разликује од излагања фази потпуног урањања или паре{16}}, инжењери могу да изаберу одговарајуће материјале и дизајн система који спречавају брзи квар урезивања који је карактеристичан за ову апликацију.
