Bei welcher spezifischen Kombination aus Ätzkonzentration und Manteloberflächentemperatur geht ein 1,6-Millimeter-Edelstahlmantel 316 im Natriumhydroxidbetrieb für CIP-Systeme von passiver zu aktiver Korrosion über?

Verfahrenstechniker, die elektrische Tauchsieder für Clean-{0}}in-{1}-Systeme für die Lebensmittelverarbeitung, die pharmazeutische Herstellung und die Getränkeproduktion bauen, verwenden Natriumhydroxid als Hauptreinigungschemikalie. Typische CIP-Lösungen bestehen aus 1–3 % NaOH bei 70–85 Grad. In dieser Situation bildet sich der Passivfilm und im Allgemeinen ist die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl 316 gut. Bei höheren Konzentrationen oder höheren Oberflächentemperaturen aufgrund der Wattdichte des Heizgeräts kann der Passivfilm jedoch zusammenbrechen und es kann zu aktiver Korrosion mit Raten von mehr als 1 Millimeter pro Jahr kommen. Typische Wandstärken von CIP-Heizungen betragen 1,6 mm, was einen angemessenen Kompromiss zwischen Korrosionszugabe und thermischer Reaktionsfähigkeit darstellt. In dem Artikel werden die Laugenkonzentration und die Manteloberflächentemperatur ermittelt, wenn ein 1,6 mm dicker 316-Mantel im Natriumhydroxid-Einsatz von passiver zu aktiver Korrosion wechselt.

316 Übergang in Natriumhydroxid vom Passiven zum Aktiven
Natriumhydroxid ist unter den alkalischen Lösungen einzigartig, da das Korrosionsverhalten von Edelstahl 316 einen klaren passiven -aktiven Übergang aufweist, der sowohl von der Konzentration als auch von der Temperatur abhängt. In verdünnten Lösungen unter 5 % NaOH und Temperaturen unter 80 °C bleibt 316 passiv mit Korrosionsraten von weniger als 0,05 mm pro Jahr. Mit zunehmender Konzentration oder steigender Temperatur wird der Passivfilm instabil. Bei 10 % NaOH beträgt die Übergangstemperatur etwa 90 Grad. Es sinkt auf 75 °C mit 20 % NaOH. Bei 30 % NaOH sinkt der Wert auf 60 Grad. Bei 50 % NaOH verschwindet der passive Bereich über 40 Grad vollständig. Aufgrund der angewandten Wattdichte ist die Manteloberflächentemperatur bei einem Tauchsieder typischerweise 15–30 Grad höher als die Temperatur der Gesamtlösung. Ein CIP-System mit 3 % NaOH und einer Massentemperatur von 80 Grad mit einer Heizung von 8 W/cm² sorgt für eine Manteloberflächentemperatur von 95–105 Grad. Die passive Beschichtung auf 316 kann bei dieser Oberflächentemperatur zusammenbrechen und es kommt zu aktiver Korrosion mit Raten von 0,5–2 mm pro Jahr. Bei aktiver Korrosion wird ein 1,6-mm-Mantel in 1–3 Jahren durchstoßen, bei passivem Betrieb ergibt sich jedoch eine Betriebsdauer von 10+ Jahren.

Kritische Übergangsschwellenwerte für 1,6-mm-Hülle
Elektrochemische Tests von 316 Proben in Natriumhydroxidlösungen bei CIP-Betriebstemperaturen haben gezeigt, dass die folgenden Kombinationen aus Massenkonzentration an Laugen und Manteloberflächentemperatur den Übergang von passiv-zu-aktiv für eine 1,6-mm-Wand bewirken. Die Werte gelten für Standard-Oberflächenpolitur und eine typische Wattdichte von 6–8 W/cm².

Natriumhydroxid-Konzentration (Gewichts-%) Passiv-zu-Aktiv-Übergangstemperatur Minimale Manteloberflächentemperatur für aktive Korrosion Sichere Massentemperatur für 1,6-mm-Mantel bei 8 W/cm2 (Anstieg um 25 Grad) Erwartete Korrosionsrate im aktiven Modus
1 – 2% >100 Grad 100 Grad 75 Grad 0,3 – 0,7 mm/Jahr
2 – 3 % 95 – 100 Grad 95 – 100 Grad Bis zu 70 – 75 Grad 0,5 – 1,0 mm/Jahr
3 – 5 % 85 – 95 Grad 85 – 95 Grad Bis zu 60 – 70 Grad 0,8 – 1,5 mm/Jahr
5 – 7 % 75 – 85 Grad 75 – 85 Grad Bis zu 50 – 60 Grad 1,0 – 2,0 mm/Jahr
7 – 10 % 65 – 75 Grad 65 – 75 Grad Bis zu 40 – 50 Grad 1,5 – 3,0 mm/Jahr
10 – 15 % 55 – 65 Grad 55 – 65 Grad Bis zu 30 – 40 Grad 2,0 – 4,0 mm/Jahr
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/Jahr
Bei einem CIP-System mit einer Massentemperatur von 80 Grad und 2 % NaOH unter Verwendung eines 1,6-mm-Mantels bei 8 W/cm2 beträgt die Manteloberflächentemperatur etwa 105 Grad und liegt damit über der Übergangsschwelle von 100 Grad. Es kommt zu aktiver Korrosion und die Ummantelung kann innerhalb von 1–2 Jahren perforieren. Durch die Senkung der Wattdichte auf 4 W/cm² verringert sich der Anstieg der Oberflächentemperatur auf 12–15 Grad, während die Manteltemperatur bei 92–95 Grad bleibt, was unter der 100-Grad-Schwelle liegt. Diese Änderung ermöglicht eine Nutzungsdauer von 5–10 Jahren.

1,6-Millimeter-Hülle, sicherer Betriebsbereich im ätzenden CIP-Betrieb
Die folgende Tabelle gibt die maximal zulässige Natriumhydroxid-Massenkonzentration für einen 1,6-mm-316-Mantel bei verschiedenen Massentemperaturen und Wattdichten an. Bei bestimmten Konzentrationswerten wird die Manteloberflächentemperatur mindestens 5 Grad unter der passiven -zu-aktiven Übergangstemperatur gehalten.

Massenlösungstemperatur Wattdichte 4 W/cm2 (Anstieg um 12 Grad) Wattdichte 6 W/cm2 (Anstieg um 18 Grad) Wattdichte 8 W/cm2 (Anstieg um 25 Grad) Wattdichte 10 W/cm2 (Anstieg um 32 Grad) 60 Grad Sicher bis 10 % NaOH Sicher bis 7 % NaOH Sicher bis zu 5 % NaOH Sicher bis 3 % NaOH 65 Grad Sicher bis 8 % NaOH Prozent sicher bis 5 NaOH Sicher bis 3 % NaOH Sicher bis 2 % NaOH 70 Grad Sicher bis 6 % NaOH Sicher bis zu 4 % NaOH Sicher bis zu 2 % NaOH Nicht sicher über 1 % 75 °C Nicht sicher über 5 % NaOH, max. 3 %, sicher NaOH Sicher bis zu 1,5 % NaOH Nicht sicher über 1 % 80 Grad Sicher bis zu 4 % NaOH Sicher bis zu 2 % NaOH Nicht sicher über 1,5 % Nicht sicher 85 Grad Sicher bis zu 3 % NaOH. Bis zu 1,5 % NaOH sicher. Nicht sicher. Nicht sicher
90 Grad. Sicher bis zu 2 % NaOH. Nicht sicher über 1 %. Nicht sicher. Nicht sicher
Für einen typischen CIP-Zyklus bei 80 Grad mit 2 % NaOH ist eine 1,6 mm dicke 316-Hülle nur bei Wattdichten von 4 W/cm2 oder weniger sicher. Bei einer industriellen Wattdichte von 8 W/cm² befindet sich das Heizgerät im aktiven Korrosionsbereich und es ist mit einer eingeschränkten Lebensdauer von 1–3 Jahren statt der oft angenommenen 5–10 Jahre zu rechnen.

Änderungen am passiven Betriebsdesign
Drei Konstruktionsänderungen können vorgenommen werden, um den passiven Betrieb aufrechtzuerhalten, ohne das Mantelmaterial unter CIP-Prozessbedingungen zu ändern, die ansonsten einen 1,6-mm-316-Mantel zu aktiver Korrosion zwingen würden (z. B. ätzende Konzentrationen oder Temperaturen): Die erste Methode besteht darin, die erhitzte Länge des Elements zu vergrößern, um die Wattdichte zu verringern. Durch Verdoppelung der Länge (1 m auf 2 m) wird der Temperaturanstieg an der Manteloberfläche von 25 Grad auf 12 Grad reduziert und die passive Funktion wird wiederhergestellt, wenn die Wattdichte von 8 W/cm2 auf 4 W/cm reduziert wird.2 . Die zweite Anpassung dient der Verbesserung der Zirkulation über der Heizoberfläche. Bei gleicher Wattdichte kann der Anstieg der Oberflächentemperatur mit einer CIP-Umwälzpumpe auf 8–10 Grad bei einer Geschwindigkeit von 2–3 m/s reduziert werden. Die letzte Änderung ist die Zugabe eines Korrosionsinhibitors zur Laugenlösung. Silikate oder Phosphate in einer Menge von 100 bis 200 ppm können den Passivfilm auf 316 stabilisieren und die Übergangstemperatur um 10 bis 20 Grad erhöhen. Für CIP-Systeme, die 5 % NaOH bei 80 °C benötigen, werden diese Änderungen jedoch wahrscheinlich nicht ausreichen. In diesen Fällen sollte der Ingenieur die Verwendung einer Legierung auf Nickelbasis wie Alloy 600 oder Alloy 825 vorschreiben, die in ätzenden Lösungen bis zu einer Konzentration von 50 % und bei Temperaturen über 100 Grad passiv sind. Die Kosten für ein Upgrade von 316 auf Alloy 825 sind in der Regel 2-3 mal höher, aber die Lebensdauer erhöht sich von 1–2 Jahren auf 10–15 Jahre. Teilen Sie dem Lieferanten bei der Spezifizierung von Heizgeräten für den CIP-Service immer Folgendes mit: die maximale Konzentration der Lauge, die Massentemperatur und die erwartete Zykluszeit. Wenn ein Hersteller 316 für 5 % NaOH bei 85 °C vorschlägt, ohne den Passiv-Aktiv-Übergang oder die Reduzierung der Wattdichte zu berücksichtigen, ist das kein angemessener technischer Rat. Der Übergang von passiver zu aktiver Korrosion in Natriumhydroxid ist abrupt und eine Funktion der Temperatur. Eine 316-Hülle mit einer Dicke von 1,6 mm, die knapp unter dem Schwellenwert betrieben wird, kann zehn Jahre lang bestehen bleiben; ein Betrieb knapp darüber kann in 18 Monaten ausfallen. Für eine zuverlässige Spezifikation ist eine genaue thermische Analyse der Manteloberflächentemperatur erforderlich.