Em que combinação específica de concentração e temperatura de ácido nítrico uma bainha de aço inoxidável 316 de 1,6 milímetros exige redução de capacidade abaixo de 12 watts por centímetro quadrado para evitar ataque intergranular em serviço de reator farmacêutico?

Os engenheiros de processo que constroem aquecedores elétricos de imersão para reatores farmacêuticos e recipientes de síntese química geralmente utilizam ácido nítrico para passivação, limpeza e como meio de reação. As concentrações típicas são 10-30% de ácido nítrico a 40-70° C. 316 bainha de aço inoxidável. Uma bainha de 1,6 mm é comumente usada em serviços farmacêuticos devido aos requisitos de limpeza e resistência à corrosão. No entanto, quando são utilizados flanges ou acessórios soldados, a zona afetada pelo calor pode tornar-se sensível ao ataque intergranular em certas combinações de concentração-temperatura. O documento define os valores limite mínimos, abaixo dos quais uma bainha 316 de 1,6 mm deve ser reduzida em densidade de watts para menos de 12 W/cm² para evitar ataque intergranular em serviços de reatores farmacêuticos.

Mecanismo de ataque intergranular do ácido nítrico
Para o ácido nítrico 316, o ataque intergranular é causado pela precipitação de carbonetos de cromo nos limites dos grãos da solda e pelo esgotamento das áreas vizinhas de cromo na zona-afetada pelo calor. O ácido nítrico ataca principalmente as zonas esgotadas de cromo, resultando na corrosão dos limites dos grãos, o que pode levar ao deslocamento do flange ou vazamento da bainha. Dependência da concentração e da temperatura da sensibilidade ao ataque intergranular. O ataque em ácido nítrico a 10% é apreciável apenas a 80°C. Em ácido nítrico a 20% o limite é de 65°C. Ataque em ácido nítrico a 30% em temperaturas superiores a 55^0C. No ácido nítrico a 40%, o ataque ocorre acima de 45 graus. O ponto mais suscetível de uma bainha de 1,6 mm com flange soldado é a zona afetada-pelo calor. Devido à densidade de watts, a temperatura da superfície da bainha é geralmente 10–20 graus mais alta que a temperatura do ácido a granel. A superfície da bainha atinge 73 graus a uma temperatura global de 55 graus em ácido nítrico a 30% com um aquecedor a 12 W/cm2 (aumento de 18 graus) bem acima do limite para ataque intergranular de 55 graus.

Limites Críticos de Derating para Bainha de 1,6mm
Quando a imersão é testada em ácido nítrico em temperaturas relevantes para serviços farmacêuticos, as seguintes limitações de densidade de watts para uma bainha de parede de 1,6 mm são aplicáveis ​​para evitar ataque intergranular na zona afetada pelo calor de amostras 316 soldadas:

Concentração de ácido nítrico Temperatura do ácido a granel Temperatura máxima da superfície da bainha para nenhum ataque intergranular Densidade máxima permitida de watts para bainha de 1,6 mm (aumento de 15 graus a 10 W/cm2) Tempo esperado para atacar em maior densidade de watts 10% 50 graus 80 graus 20 W/cm2 Seguro em qualquer densidade prática de watts 10% 60 graus 80 graus 13 W/cm2 Seguro a 12 W/cm2 10% 70 graus 80 graus 7 W/cm2 Derating necessário abaixo de 12 W/cm² 10% 75°C 80°C 3 W/cm² 316 marginal; 316L preferido 20% 40°C 65°C 17 W/cm² Seguro a 12 W/cm² 20% 50°C 65°C 10 W/cm² Redução de capacidade recomendada < 12 W/cm² 20% 55°C 65°C 7 W/cm² Redução de capacidade necessária
20% 60°C 65°C 3 W/cm² Use 316L ou recozido 30% 35°C 55°C 13 W/cm² Seguro a 12 W/cm² 30% 40°C 55°C 10 W/cm² Derating recomendado 30% 45°C 55°C 7 W/cm² Derating necessário
30% 50 graus 55 graus 3 W/cm² Use 316L ou liga de atualização
40% 30°C 45°C 10 W/cm² Redução de capacidade sugerida 40% 35°C 45°C 7 W/cm² Redução de capacidade necessária
40% 40°C 45°C 3 W/cm² 316 não recomendado
Num reator farmacêutico, a temperatura da superfície da bainha de uma bainha de 1,6 mm a 12 W/cm2 excede o limite de 65 graus a quase 70 graus, para ácido nítrico a 20% a uma temperatura aparente de 55 graus. O ataque inter{8}}granular pode ocorrer dentro de 6 a 12 meses. A redução para 8 W/cm² (aumento de 13°C, superfície de 68°C) ainda ultrapassa os critérios. 4 W/cm² (aumento de 6°C, superfície de 61°C) a redução mantém a bainha abaixo de 65°C, evitando agressão.

Envelope operacional seguro para operação de 12 W/cm²
A tabela abaixo mostra a temperatura máxima segura do ácido nítrico para uma bainha 316 de 1,6 mm a 12 W/cm² (aumento de 18 °C) para evitar ataque intergranular na zona afetada pelo calor-da solda.

Concentração de ácido nítrico Temperatura máxima segura a granel a 12 W/cm² (aumento de 18°C) Temperatura da superfície da bainha no máximo seguro a granel Ação necessária acima do máximo 10% 62°C 80°C Redução de capacidade abaixo de 12 W/cm² 15% 52°C 70°C Redução de capacidade necessária 20% 47°C 65°C Redução de capacidade necessária 25% 42°C 60°C Uso 316L ou desclassificação 30% 37°C 55°C 316L necessário 35% 32°C 50°C Liga de atualização recomendada 40% 27°C 45°C 316 não adequado
Para um reator farmacêutico com 20% de ácido nítrico a 50°C de temperatura inicial com 12 W/cm², o limite seguro de volume é 47°C. O aquecedor é seguro até 50 graus C. Existe um grande perigo de ataque intergranular. Recomende diminuir a densidade de watts para 8 W/cm² (elevação de 13°, superfície de 63°) ou especifique material de grau 316L.

Modificações de projeto para evitar ataques intergranulares
Para circunstâncias de processos farmacêuticos que necessitam de concentrações de ácido nítrico e temperaturas próximas dos limites de ataque, três ajustes de projeto podem evitar o ataque intergranular sem redução de capacidade abaixo de 12 W/cm². A primeira é selecionar 316L (baixo carbono, máx. 0,03%) em vez do 316 convencional. O menor teor de carbono diminui a precipitação de carboneto de cromo durante a soldagem e aumenta o limite de ataque em 10–15°C. 316L a 12 W/cm² em ácido nítrico a 20% é seguro até 57–60°C de temperatura aparente. A segunda melhoria é o recozimento pós{15}}soldagem da área de fixação do flange. O recozimento por indução localizado a 1050°C remove carbonetos de cromo e restaura a resistência à corrosão. A mudança final é utilizar uma sobreposição de solda ou flange revestido em que a bainha 316 é soldada a uma liga adequada, mas menos propensa à sensibilização-. Para reatores farmacêuticos que exigem 30% de ácido nítrico a 50°C com operação contínua, os engenheiros devem atualizar para um aço inoxidável com alto teor de silício, como Durimet 20 ou Liga 825. Esses materiais são essencialmente imunes ao ataque intergranular em ácido nítrico, independentemente de seu histórico de soldagem ou aquecimento. Sempre especifique acessórios soldados ao especificar aquecedores para operação farmacêutica com ácido nítrico. Especifique 316L (não o padrão 316) para todas as aplicações acima de 15% de concentração ou 50°C. O ataque intergranular nos limites dos grãos propaga o desprendimento do flange de uma bainha soldada de 1,6 mm em ácido nítrico e geralmente ocorre com pouco aviso visual. A seleção adequada de materiais e o gerenciamento da densidade de watts são importantes para o funcionamento confiável de reatores farmacêuticos.