Em que combinação específica de concentração cáustica e temperatura da superfície da bainha uma bainha de aço inoxidável 316 de 1,6 milímetros faz a transição da corrosão passiva para a ativa no serviço de hidróxido de sódio para sistemas CIP?

Engenheiros de processo que constroem aquecedores elétricos de imersão para sistemas-limpos-no local para processamento de alimentos, fabricação de produtos farmacêuticos e produção de bebidas usam hidróxido de sódio como principal produto químico de limpeza. As soluções CIP típicas consistem em 1-3% de NaOH a 70-85 graus. Nesta situação, forma-se um filme passivo e, geralmente, a resistência à corrosão do aço inoxidável 316 é boa. No entanto, em concentrações mais elevadas ou temperaturas superficiais mais elevadas devido à densidade de watts do aquecedor, o filme passivo pode quebrar e a corrosão ativa pode ocorrer com taxas superiores a 1 milímetro por ano. As espessuras de parede típicas dos aquecedores CIP são de 1,6 mm, proporcionando um compromisso razoável entre tolerância à corrosão e capacidade de resposta térmica. O artigo estabelece a concentração cáustica e a temperatura da superfície da bainha onde uma bainha 316 de 1,6 mm muda de corrosão passiva para ativa em serviço com hidróxido de sódio.

316 Transição no Hidróxido de Sódio de Passivo para Ativo
O hidróxido de sódio é único entre as soluções alcalinas porque o comportamento de corrosão do aço inoxidável 316 exibe uma clara transição passiva-ativa que depende da concentração e da temperatura. Em soluções diluídas abaixo de 5% de NaOH e temperaturas abaixo de 80oC, o 316 permanece passivo com taxas de corrosão inferiores a 0,05 mm por ano. À medida que a concentração aumenta ou a temperatura aumenta, o filme passivo torna-se instável. A 10% de NaOH, a temperatura de transição é de cerca de 90 graus. Diminui para 75C 20% NaOH. A 30% de NaOH o valor cai para 60 graus. A 50% de NaOH, acima de 40 graus, a faixa passiva desaparece completamente. A temperatura da superfície da bainha é normalmente 15–30 graus mais alta do que a temperatura da solução a granel para um aquecedor de imersão devido à densidade de watts aplicada. Um sistema CIP com 3% de NaOH e temperatura aparente de 80 graus com um aquecedor de 8 W/cm² fornece uma temperatura de superfície da bainha de 95-105 graus. O revestimento passivo do 316 pode quebrar nesta temperatura de superfície e a corrosão ativa ocorre a taxas de 0,5–2 mm por ano. A corrosão ativa perfurará uma bainha de 1,6 mm em 1–3 anos, porém a operação passiva proporcionará 10+ anos de serviço.

Limites Críticos de Transição para Bainha de 1,6 mm
Testes eletroquímicos de 316 amostras em soluções de hidróxido de sódio em temperaturas relacionadas ao serviço CIP demonstraram que as seguintes combinações de concentração cáustica em massa e temperatura da superfície da bainha causarão a transição passiva-para{2}}ativa para uma parede de 1,6 mm. Os valores são para polimento de superfície estampada padrão e uma densidade de watts típica de 6–8 W/cm².

Concentração de hidróxido de sódio (% em peso) Temperatura de transição passiva para ativa Temperatura mínima da superfície da bainha para corrosão ativa Temperatura aparente segura para bainha de 1,6 mm a 8 W/cm2 (aumento de 25 graus) Taxa de corrosão esperada em regime ativo
1 – 2% >100 graus 100 graus 75 graus 0,3 – 0,7 mm/ano
2 – 3% 95 – 100 graus 95 – 100 graus Até 70 – 75 graus 0,5 – 1,0 mm/ano
3 – 5% 85 – 95 graus 85 – 95 graus Até 60 – 70 graus 0,8 – 1,5 mm/ano
5 – 7% 75 – 85 graus 75 – 85 graus Até 50 – 60 graus 1,0 – 2,0 mm/ano
7 – 10% 65 – 75 graus 65 – 75 graus Até 40 – 50 graus 1,5 – 3,0 mm/ano
10 – 15% 55 – 65 graus 55 – 65 graus Até 30 – 40 graus 2,0 – 4,0 mm/ano
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/ano
Para um sistema CIP com uma temperatura aparente de 80 graus e 2% de NaOH utilizando uma bainha de 1,6 mm a 8 W/cm2, a temperatura da superfície da bainha é de cerca de 105 graus, superior ao limite de transição de 100 graus. Ocorrerá corrosão ativa e a bainha poderá perfurar em 1-2 anos. A redução da densidade de watts para 4 W/cm² diminui o aumento da temperatura da superfície para 12–15 graus, enquanto a temperatura da bainha permanece em 92–95 graus, que está abaixo do limite de 100 graus. Esta mudança permite uma vida útil de 5 a 10 anos.

Envelope de funcionamento seguro da bainha de 1,6 milímetros no serviço cáustico do CIP
A tabela a seguir fornece a concentração máxima permitida de hidróxido de sódio a granel para uma bainha 316 de 1,6 mm em várias temperaturas aparentes e densidades de watts. Para determinados valores de concentração, a temperatura da superfície da bainha é mantida pelo menos 5 graus abaixo da temperatura de transição passiva-para{5}}ativa.

Temperatura da solução a granel Densidade de watts 4 W/cm2 (aumento de 12 graus) Densidade de watts 6 W/cm2 (aumento de 18 graus) Densidade de watts 8 W/cm2 (aumento de 25 graus) Densidade de watts 10 W/cm2 (aumento de 32 graus) 60 graus Seguro até 10% NaOH Seguro até 7% NaOH Seguro até 5% NaOH Seguro até 3% NaOH 65 graus Seguro até 8% NaOH Por cento seguro até 5 NaOH Seguro até 3% NaOH Seguro até 2% NaOH 70 graus Seguro até 6% NaOH Seguro até 4% NaOH Seguro até 2% NaOH Não seguro acima de 1% 75oC Não seguro acima de 5% NaOH máx. 3%, seguro NaOH Seguro até 1,5% NaOH Não seguro acima de 1% 80 graus Seguro até 4% NaOH seguro até 2% NaOH Não seguro acima de 1,5% Não seguro 85 graus Seguro até 3% NaOH Até 1,5% NaOH seguro Não seguro Não seguro
90 graus Seguro até 2% NaOHNão seguro acima de 1% Não seguro Não seguro
Para um ciclo CIP típico a 80 graus com 2% de NaOH, uma bainha 316 de 1,6 mm é segura apenas em densidades de watts de 4 W/cm2 ou menos. A uma densidade de watts industrial de 8 W/cm², o aquecedor estará no regime de corrosão ativa e uma vida útil restrita de 1 a 3 anos deve ser prevista, em vez dos frequentemente assumidos 5 a 10 anos.

Mudanças no projeto de operação passiva
Três modificações de projeto podem ser feitas para preservar a operação passiva sem alterar o material da bainha sob condições de processo CIP que, de outra forma, forçariam uma bainha 316 de 1,6 mm à corrosão ativa (por exemplo, concentrações ou temperaturas cáusticas): O primeiro método é aumentar o comprimento aquecido do elemento para reduzir a densidade de watts. Dobrar o comprimento (1 m para 2 m) reduz o aumento da temperatura da superfície da bainha de 25 graus para 12 graus e retorna ao funcionamento passivo quando a densidade de watts é reduzida de 8 W/cm2 para 4 W/cm2 . O segundo ajuste é melhorar a circulação sobre a superfície do aquecedor. Para a mesma densidade de watts, o aumento da temperatura da superfície pode ser reduzido para 8–10 graus a uma velocidade de 2–3 m/s usando uma bomba de circulação CIP. A mudança final é a adição de um inibidor de corrosão à solução cáustica. Silicatos ou fosfatos de 100 a 200 ppm podem estabilizar o filme passivo em 316 e aumentar a temperatura de transição em 10 a 20 graus. Mas essas mudanças provavelmente não serão suficientes para sistemas CIP que requerem 5% de NaOH a 80oC. Nesses casos, o engenheiro deve especificar o uso de uma liga à base de níquel, como a Liga 600 ou a Liga 825, que são passivas em soluções cáusticas com concentração de até 50% em temperaturas acima de 100 graus. O custo de atualização do 316 para o Alloy 825 é normalmente 2-3 vezes maior, mas a vida útil aumenta de 1 a 2 anos para 10 a 15 anos. Sempre informe ao fornecedor ao especificar aquecedores para serviço CIP: a concentração máxima de soda cáustica, a temperatura geral e o tempo de ciclo esperado. Quando um fabricante sugere 316 para NaOH a 5% a 85 graus C sem qualquer consideração de transição passivo-ativa ou redução da densidade de watts, isso não é um conselho técnico apropriado. A mudança da corrosão passiva para ativa no hidróxido de sódio é abrupta e depende da temperatura. Uma bainha 316 de 1,6 mm de espessura operando logo abaixo do limite pode persistir por dez anos; um operando um pouco além dele pode falhar em 18 meses. A análise térmica precisa da temperatura da superfície da bainha é necessária para uma especificação confiável.