Bei welcher spezifischen Salzsäurekonzentration bei 50 Grad Celsius kommt es innerhalb von 500 Stunden kontinuierlicher Taucherhitzung zu Lochfraß in einem 1,2 Millimeter dicken Mantel aus 316-Edelstahl?

Edelstahl 316 wird im Allgemeinen als marginales Material für elektrische Tauchsieder angesehen, das von Chemieverfahrensingenieuren für den Einsatz von Salzsäure in Metallbeiz-, pH-Korrektur- und Regenerationssystemen spezifiziert wird. Salzsäure ist eine sehr aggressive reduzierende Säure. Chloridionen zielen auf die Passivschicht auf rostfreien Stählen ab. Im Gegensatz zu Schwefel- oder Salpetersäure gibt es keinen Konzentrationsbereich, in dem 316 eine wirklich gute Beständigkeit aufweist. Bei milden Temperaturen in sehr verdünnten Lösungen kann 316 jedoch eine akzeptable Lebensdauer für unkritische Anwendungen bieten. Wie lange es dauert, bis sich Lochfraß von der Außenfläche zur Innenwand ausbreitet, hängt von der Wandstärke des Mantels ab. In diesem Artikel wird die Messung der spezifischen Salzsäurekonzentration bei 50 Grad beschrieben, die in 500 Stunden Dauerbetrieb bei durchschnittlicher industrieller Wattdichte zu Lochfraß in einem 1,2-mm-316-Mantel führt.

„Lochfraßkorrosion von Edelstahl 316 in verdünnter HCl.
Die Korrosion von 316 in Salzsäure erfolgt als Lochfraß und nicht als gleichmäßige Verdünnung. Wenn sich an einem Oberflächenfehler, einem Einschluss oder einer Schwachstelle im Passivfilm eine Vertiefung bildet, breitet sie sich aufgrund der autokatalytischen Natur des Chloridangriffs schnell aus. Das kritische Lochfraßpotential von 316 in Chloridlösungen nimmt mit steigender Temperatur und Chloridkonzentration ab. Die Schwellenchloridkonzentration für den Beginn der Grube liegt bei etwa 50–100 ppm (0,005–0,01 % HCl) bei 50 Grad. Unterhalb dieser Schwelle kommt es selten zu Lochfraß und die typische Korrosionsrate beträgt weniger als 0,05 mm/Jahr. Oberhalb dieser Schwelle ist Lochfraß wahrscheinlich und die Geschwindigkeit der Lochausbreitung nimmt mit dem Chloridgehalt rasch zu. Die Zeit bis zur Durchdringung eines 1,2 mm dicken Wandmantels wird durch die Grübchenausbreitungsrate nach der Initiierung gesteuert. Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten bei 50 Grad reichen von 0,01 mm/h in 0,1 % HCl bis 0,10 mm/h in 1 % HCl. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit beträgt etwa 0,03–0,05 mm/Stunde für 0,5 % HCl, was bedeutet, dass eine 1,2 mm dicke Wand 24–40 Stunden nach Beginn eines Lochs durchdrungen wird. Abhängig von der Oberflächenqualität und den Restlasten beträgt die Gesamtlebensdauer 120–540 Stunden, einschließlich einer Einarbeitungszeit von 100–500 Stunden für den Grubenstart.

Kritische Konzentration für eine Lebensdauer von 500 Stunden
Die folgenden Lebensdauern werden anhand von Tauchtests an gestauchten 316-Mantelproben bei 50 Grad und einer für kommerzielle Heizgeräte typischen Oberflächenpolitur vorhergesagt. Bei 0,05 % HCl (500 ppm Chlorid) beginnt die Lochfraßbildung nach etwa 800–1.200 Stunden und die Ausbreitung erfolgt träge bei 0,005 mm pro Stunde . 1.2 mm Mantel würde insgesamt 1.000–1.500 Stunden dauern. Bei 0,10 % HCl verkürzt sich die Initiierungszeit auf 400–600 Stunden bei Ausbreitung mit 0,010–0,015 mm/h, was einer Gesamtzeit von 500–800 Stunden entspricht. Bei 0,15 % HCl beginnt innerhalb von 200–300 Stunden die Ausbreitung 0,020–0,025 mm pro Stunde. Gesamtlebensdauer 300–500 Stunden. Initiierung 100–200 Stunden bei 0,20 % HCl Ausbreitung 0,030–0,040 mm/h Gesamtlebensdauer 150–300 Stunden Die wesentliche HCl-Konzentration für eine Lebensdauer von 500 Stunden beträgt etwa 0,12 bis 0,14 %. Bei oder unterhalb dieser Konzentration besteht eine beträchtliche Chance, dass eine 1,2 mm dicke 316-Hülle 500 kontinuierliche Betriebsstunden übersteht. Oberhalb dieser Konzentration liegt die Lebenserwartung unter 500 Stunden. Diese Werte gelten für eine Wattdichte von 5–8 W/cm², was die Manteloberflächentemperatur auf etwa 55–60 Grad erhöht. Bei höheren Wattdichten verringert die höhere Oberflächentemperatur die kritische Konzentration noch weiter.

Salzsäure-Servicekonzentrations- und Wandstärkenmatrix
Die folgende Tabelle gibt die empfohlenen 316-Mantelwandstärken für Salzsäure bei 50 Grad für die vorgesehene Lebensdauer an. Bei den Werten wird von einer Wattdichte von 5 bis 8 W/cm2 und einer normalen gestauchten Oberflächenbeschaffenheit ausgegangen

HCl-Konzentration Chloridkonzentration (ppm) Voraussichtliche Rate des Grubenwachstums bei 50 Grad. Mindestwandstärke 316 für eine Lebensdauer von 500 Stunden. Mindestwandstärke für eine Lebensdauer von 1.000 Stunden. Empfehlung
Unter 0,05 %< 500 ppmBelow 0.005 mm/hour 0.8 mm 1.0 mm 316 acceptable for intermittent service 
0,05 – 0,10 % 500 – 1.000 ppm 0,005 – 0,015 mm/h 1,0 mm 1,6 mm 316 marginal; Erwarten Sie ein kurzes Leben
0,10 – 0,15 % 1.000 – 1.500 ppm 0,015 – 0,025 mm/Stunde 1,2 mm 2,0 mm 316 nicht für Dauerbetrieb empfohlen
0,15 – 0,20 % 1.500 – 2.000 ppm 0,025 – 0,040 mm/Stunde 1,6 mm 2,5 mm Titan oder Tantal
0,20 – 0,50 % 2.000 – 5.000 ppm 0,040 – 0,100 mm/h Nicht praktikabel. Geht nicht. Titan wird benötigt
Über 0,50 % Über 5.000 ppmMehr als 0,100 mm/Stunde Nicht akzeptabelNicht kompatibel Nicht-metallische Heizung verwenden
Wenn die Salzsäurekonzentration bei 50 Grad über 0,15 % liegt, ist Edelstahl 316 unabhängig von der Wandstärke kein gutes Material für die Verwendung. Die Geschwindigkeit der Grubenausbreitung und das erhebliche Risiko einer plötzlichen Perforation ohne Vorankündigung geben Anlass zur Sorge. Titan (Grad 2 oder Grad 7) weist eine gute Beständigkeit gegenüber verdünnter Salzsäure bis zu einer Konzentration von 1 % bei 50 °C auf, mit Korrosionsraten von < 0,01 mm pro Jahr. Für höhere Konzentrationen oder Temperaturen benötigen Sie Tantal. Bei der Auswahl von Heizgeräten für den Einsatz mit Salzsäure, bei denen 316 in Betracht gezogen wird, sollten Ingenieure einen Korrosionsprobetest unter Verwendung der tatsächlichen Prozesssäure und einer Probe des Mantelmaterials bei der erwarteten Oberflächentemperatur festlegen. Bei den veröffentlichten Daten handelt es sich um Schätzungen, das Lochfraßverhalten wird jedoch stark von der tatsächlichen Säurereinheit und der Temperaturkontrolle beeinflusst. Die Kosten eines einzelnen Heizelementausfalls in Salzsäure – einschließlich der Kontamination der Prozesslösung mit Metallionen – sind oft höher als die Kosten für die Umrüstung auf Titan. Der umsichtige technische Rat bei 50 Grad und über 0,1 % besteht darin, 316 ganz zu vermeiden.