Was ist die maximale Lebensdauer einer Ummantelung aus Edelstahl 316 mit einer Wandstärke von 1,2 Millimetern? Was ist die maximale Lebensdauer einer Ummantelung aus Edelstahl 316 mit einer Wandstärke von 1,2 Millimetern bei Dauerbetrieb mit 15 %iger Phosphorsäure bei 110 Grad Celsius?

Bei der Auswahl des Mantelmaterials für elektrische Tauchsieder, die in chemischen Prozessanwendungen wie der Herstellung von Phosphatdüngern, Metallbehandlungsbädern und Lebensmittelverarbeitungsanlagen für den Umgang mit Phosphorsäure eingesetzt werden, müssen sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch thermische Leistung berücksichtigt werden. Phosphorsäure ist nicht so aggressiv wie Salzsäure oder Schwefelsäure, jedoch kann es bei erhöhten Temperaturen über 80 °C und hohen Konzentrationen über 10 % zu einem beschleunigten Angriff auf Edelstahl 316 kommen, insbesondere an Schweißzonen und Stellen mit hoher Eigenspannung. Die Wandstärke des Mantels legt den Korrosionsspielraum für das Heizgerät während seiner Lebensdauer fest. Die Verbindung ist jedoch nichtlinear, da die Korrosionsraten tendenziell mit zunehmender Wandverdünnung und erhöhter lokaler Stromdichte zunehmen. In diesem Artikel wird eine quantitative Lebensdauerprognose für einen 1,2 mm dicken Mantel aus 316 in 15 %iger Phosphorsäure bei 110 Grad vorgestellt, die auf bekannten Korrosionsdaten und Felderfahrungen in Chemieanlagen basiert.

Korrosionsverhalten von Edelstahl 316 in heißer Phosphorsäure
Bei Phosphorsäurekonzentrationen zwischen 10 % und 30 % und Temperaturen über 80 Grad weist Edelstahl 316 je nach Säurereinheit, Temperatur und Fließgeschwindigkeit allgemeine Korrosionsraten von 0,1 bis 0,5 mm/Jahr auf. Der Korrosionsmechanismus besteht meist in einer gleichmäßigen Verdünnung und nicht in einer Lochfraßbildung, da Phosphorsäure kein starkes Oxidationsmittel ist und keine Chloride enthält, die für einen lokalen Angriff verantwortlich sind. Handelsübliche Phosphorsäure enthält Verunreinigungen wie Fluoride, Sulfate und Chloride aus Phosphatgestein, die den Angriff beschleunigen und zu Lochfraß führen können. Die allgemeine Korrosionsrate von 316 in 15 %iger Phosphorsäure bei 110 Grad und normaler industrieller Reinheit beträgt etwa 0,25 mm/Jahr. Diese Rate basiert darauf, dass die Manteloberflächentemperatur innerhalb von 5 Grad der Temperatur der Hauptsäure liegt. Tatsächlich führt der Wärmefluss zu einer höheren Temperatur des Heizmantels. Bei einer 1,2 mm dicken 316-Ummantelung bei 6 W/cm² in 110-Grad-Säure beträgt die Außenoberflächentemperatur etwa 125 Grad. Bei dieser Temperatur steigt die Korrosionsrate auf etwa 0,35 mm/Jahr. Die Temperatur wird durch den Wärmefluss erhöht und die Korrosionsrate erhöht sich im Verhältnis zur Temperatur der Säuremasse um weitere 40 %.

1.2 Abschätzung der Lebensdauer für Wandstärken in Millimetern
Die 316-Hülle hat eine Nenndicke von 1,2 mm. Die Fertigungstoleranzen betragen jedoch ±0,1 mm. Dies bedeutet, dass die Mindestdicke 1,1 mm betragen könnte. Die konservative Lebensdauerschätzung basiert auf der Mindestdicke. Der Verbrauch beträgt 0,35 mm/Jahr und die Korrosionsrate beträgt 0,35 mm/Jahr. Aber es wird zum Scheitern kommen, bevor die Wand vollständig durchgefressen werden kann. Die minimale Strukturdicke beträgt 0,5 mm, um den Innendrücken aufgrund der MgO-Ausdehnung und dem externen Prozessdruck standzuhalten. Somit beträgt der nutzbare Korrosionszuschlag 1,1 mm – 0,5 mm=0.6 mm. Die vorhergesagte Lebensdauer beträgt 0,6/0.35=1.7 Jahre bei 0,35 mm pro Jahr. Dies ist der Moment, in dem der Mantel seine minimale Strukturdicke erreicht. Tatsächlich werden Heizungen häufig bei einer verbleibenden Wandstärke von 0,7–0,8 mm ausgetauscht, um einen Sicherheitsspielraum zu schaffen. Bei dieser Austauschschwelle sinkt die Lebensdauer auf etwa 1,2 Jahre. Die anfängliche Wandstärke für eine 5-jährige Lebensdauer müsste 0,35 x 5 Jahre + 0.5 (Strukturspielraum) + 0.1 (Toleranz)=2.35 mm oder etwa 2,5 mm betragen. Daher ist eine 1,2 mm dicke 316-Ummantelung in diesem Service nur für Anwendungen geeignet, bei denen ein jährlicher Austausch akzeptabel ist.

Empfohlene Wandstärke für Phosphorsäureanwendungen
Die folgende Tabelle listet akzeptable Mantelwandstärken für elektrische Tauchsieder im Phosphorsäurebetrieb in Abhängigkeit von Konzentration, Temperatur und gewünschter Lebensdauer auf. Die Werte gelten für Industriesäure mit normalen Verunreinigungen und einer Wattdichte von 4 bis 6 W/cm2.

Phosphorsäurekonzentration|Massensäuretemperatur|Soll-Lebensdauer|Empfohlene Mindestwandstärke 316|Lebensdauer bei empfohlener Stärke Erwartete Korrosionsrate an der Oberfläche
10 – 15 % 80 – 100 Grad 2 Jahre 1,2 mm 0,20 – 0,30 mm/Jahr 1,5 – 2,5 Jahre
10 – 15 % 80 – 100 Grad 5 Jahre 2,0 mm 0,20 – 0,30 mm/Jahr 4–6 Jahre
10–15 % 100–120 Grad 2 Jahre 1,6 mm 0,30–0,45 mm/Jahr 2–3 Jahre
10 – 15 % 100 – 120 Grad 5 Jahre 2,5 mm 0,30 – 0,45 mm/Jahr 5 – 7 Jahre
15 – 25 % 80 – 100 Grad 2 Jahre 1,6 mm 0,25 – 0,40 mm/Jahr 2 – 3 Jahre
15 – 25 % 80 – 100 Grad 4 Jahre 2,5 mm 0,25 – 0,40 mm/Jahr 4 – 6 Jahre
15 – 25 % 100 – 120 Grad 1 Jahr 1,6 mm 0,40 – 0,60 mm/Jahr 1 – 2 Jahre
15 – 25 % 100 – 120 Grad 3 Jahre 2,5 mm 0,40 – 0,60 mm/Jahr 3 – 4 Jahre
>25 % Beliebige Temperatur Beliebig Nicht empfohlen > 0,60 mm/Jahr Unvorhersehbar; Verwenden Sie eine höhere Legierung
Edelstahl 316 ist unabhängig von der Wandstärke normalerweise nicht für Phosphorsäurekonzentrationen von mehr als 25 % bei Temperaturen über 100 Grad geeignet. In diesem Szenario könnten Ingenieure ein Upgrade auf eine hochmolekulare Legierung wie Alloy 20 (Carpenter 20) oder Alloy 625 in Betracht ziehen, deren Korrosionsraten in heißer Phosphorsäure um zwei Größenordnungen niedriger sind als 316.

Designänderungen zur Verlängerung der Lebensdauer ohne Erhöhung der Wandstärke
Wenn Platz- oder Wärmereaktionsaspekte die Verwendung eines 1,2-mm-316-Mantels für den Betrieb mit heißer Phosphorsäure erfordern, stehen drei Designanpassungen zur Verfügung, um die Lebensdauer weit über die geschätzten 1,7 Jahre hinaus zu verlängern. Erstens geht es um die Reduzierung der Wattdichte. Wenn der Betriebspegel von 6 W/cm² auf 3 W/cm² gesenkt wird, sinkt die Manteloberflächentemperatur von 125 Grad auf etwa 116 Grad und die Korrosionsrate von 0,35 auf etwa 0,22 mm pro Jahr. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer von 1,7 Jahren auf 2,7 Jahre. Die zweite Änderung besteht darin, die Manteloberfläche vor der Installation 60 Minuten lang mit 20 % Salpetersäure bei 50 Grad zu passivieren. Durch die Passivierung werden eingebettete Eisenpartikel entfernt und die Dicke der Chromoxidschicht erhöht, wodurch die anfängliche Korrosionsrate in den ersten Betriebsmonaten um 20–30 % reduziert wird. Die dritte Änderung besteht darin, die Reinheit der Säure zu kontrollieren. Gelingt es, die Fluoride unter 50 ppm und die Chloride unter 100 ppm zu halten, kann die Korrosion auf 0,15–0,20 mm pro Jahr begrenzt werden und die Lebensdauer beträgt 3–4 Jahre. Bei wichtigen Anwendungen, bei denen ein unvorhergesehener Ausfall der Heizung zu erheblichen Produktionsausfällen führen würde, sollten Ingenieure eine Ersatzheizung einbauen oder den Tank mit zwei Heizungen ausstatten, sodass eine ersetzt werden kann und die andere die Temperatur aufrechterhält. Die Kosten für eine Ersatzheizung sind im Vergleich zu den Kosten einer unvorhergesehenen Unterbrechung der kontinuierlichen Chemieproduktion vernachlässigbar. Geben Sie bei der Auswahl der Heizgeräte für den Einsatz mit Phosphorsäure die Prüfung von Korrosionsproben mit der echten Säure im Prozessstrom an. Die tatsächliche Säurereinheit schwankt stark von Anlage zu Anlage und sogar von Produktionscharge zu Produktionscharge, daher stellen veröffentlichte Daten nur Schätzungen dar. Der beste Indikator für die Lebensdauer ist ein dreimonatiger Coupon-Test einer 1,2 mm dicken 316-Probe, die der Prozesssäure bei der erwarteten Manteltemperatur ausgesetzt wurde. Normalerweise sind die Kosten für diesen Test geringer als die Kosten für eine ausgefallene Heizung.