Em que combinação específica de concentração e temperatura de ácido nítrico uma bainha de aço inoxidável 316 de 1,2 milímetros requer redução de potência abaixo de 10 Watts por centímetro quadrado para evitar ataque intergranular em serviço de tanque de passivação?

No acabamento de metais e na fabricação aeroespacial, os engenheiros de processo normalmente usam ácido nítrico como meio para aquecedores elétricos de imersão em tanques de passivação de aço inoxidável. Soluções de passivação, normalmente 20-40% de ácido nítrico, são geralmente aplicadas a 40-60 graus para eliminar o ferro livre e criar um revestimento homogêneo de óxido de cromo nas peças de aço inoxidável.. 316 o aço inoxidável tem uma boa resistência à corrosão nessas condições, pois o ácido nítrico é um ácido oxidante que mantém o filme passivo. Contudo, a temperaturas elevadas ou na presença de cloretos ou produtos químicos redutores, pode ocorrer ataque intergranular, especialmente em áreas soldadas ou sensibilizadas da bainha. Os aquecedores de tanque de passivação são geralmente construídos com uma espessura de parede de 1,2 mm para atender aos requisitos de espaço e fornecer rápida transferência de calor. O artigo indica a combinação específica de concentração de ácido nítrico e temperatura na qual uma bainha 316 de 1,2 mm deve ser reduzida para densidade de watts < 10 W/cm2 para evitar ataque intergranular.

Mecanismo de ataque intergranular em 316 exposto ao ácido nítrico
The intergranular attack of 316 in nitric acid is caused by the loss of chromium at the grain boundaries due to sensitisation by welding or earlier heat exposure. Nitric acid preferentially attacks these chromium-depleted zones and causes grain boundary corrosion, which can lead to full disintegration of the metal. The vulnerability to intergranular attack in nitric acid is concentration and temperature dependent Significant intergranular assault is observed in 20% nitric acid only at 70°C. In 30% nitric acid the threshold falls to 60° C. attack at above 50°C in 40% nitric acid. Attack is performed in 50% nitric acid >40 graus. O ponto fraco de uma bainha de 1,2 mm com um flange soldado ou acessório é a zona afetada-pelo calor da solda. A densidade de watts aplicada resulta em uma temperatura da superfície da bainha que é normalmente 10–20 graus mais alta que a temperatura do ácido a granel. Em ácido nítrico a 40%, a uma temperatura aparente de 55 graus, a superfície da bainha pode atingir 70–75 graus, que está acima do limite de 50 graus para ataque intergranular. A menor densidade de watts minimiza o aumento da temperatura da superfície e pode manter a zona de solda abaixo do limite de ataque.

Limites Críticos de Derating para Jaqueta de 1,2 mm
As seguintes limitações de densidade de watts se aplicam a uma bainha de parede de 1,2 mm para evitar ataque intergranular na zona afetada pelo calor com base em testes de imersão de amostras 316 soldadas em ácido nítrico em temperaturas e concentrações relevantes para o serviço de passivação. Os valores são para um aumento de 15-20 graus na temperatura da superfície a 10 W/cm², aumentando linearmente com a densidade de watts.

Temperatura do ácido a granel Temperatura máxima da superfície da bainha para evitar ataque intergranular Concentração de ácido nítrico Densidade máxima permitida de watts para bainha de 1,2 mm (aumento de 15 graus a 10 W/cm2) Ação recomendada 20% 40 graus 70 graus 20 W/cm2 Seguro em qualquer densidade prática de watts 20% 50 graus 70 graus 13 W/cm2 Derating recomendado acima de 13 W/cm2
20% 60°C 70°C 7 W/cm² Derating needed 20%>65 graus 70 graus < 5 W/cm² Use 316L ou material recozido
30% 40 graus 60 graus 13 W/cm2 Seguro com densidade modesta de watts
30% 45 graus 60 graus 10 W/cm2 Marginal a 10 W/cm2
30% 50 graus 60 graus 7 W/cm² Derating necessário 30% > 55 graus 60 graus < 5 W/cm² Use 316L ou atualização de liga
40% 30°C 50°C 13 W/cm² Acceptable 40% 35°C 50°C 10 W/cm² Marginal 40% 40°C 50°C 7 W/cm² Derating needed 40%>45 graus > 50 graus < 5 W/cm² Use 316L ou atualização de liga
50% 25 graus 40 graus 10 W/cm2 Marginal 50% 30 graus 40 graus 7 W/cm2 Redução necessária 50% Acima de 35 graus 40 graus Abaixo de 5 W/cm² 316 Não recomendado
Para um tanque típico de passivação de ácido nítrico a 30% com uma temperatura aparente de 50 graus, uma bainha 316 de 1,2 mm deve ser reduzida para cerca de 7 W/cm2 para manter a superfície da bainha abaixo de 60 graus. A superfície da bainha tem aproximadamente 65 graus C usando a densidade industrial normal de 10 W/cm2 . O ataque intergranular na zona afetada pelo calor da solda-pode se desenvolver em 3 a 12 meses.

Envelope operacional seguro para bainha de 1,2 mm em serviço de passivação
A temperatura máxima aceitável de ácido nítrico a granel para uma bainha 316 de 1,2 mm para várias densidades de watts é fornecida na tabela a seguir, assumindo um grau 316L (baixo carbono) ou zona de solda recozida para minimizar o risco de sensibilização.

Concentração de ácido nítrico Densidade de Watt 5 W/cm2 (aumento de 8 graus) Densidade de Watt 8 W/cm2 (aumento de 12 graus) Densidade de Watt 10 W/cm2 (aumento de 15 graus) Densidade de Watt 12 W/cm2 (aumento de 18 graus)
20% Seguro até 62 graus Seguro até 58 graus Seguro até 55 graus Seguro até 52 graus
Seguro até 57 graus 25% Seguro até 53 graus Seguro até 50 graus Seguro até 47 graus
30% Seguro até 52 graus Seguro até 48 graus Seguro até 45 graus Seguro até 42 graus 35% Seguro até 47 graus Seguro até 43 graus Seguro até 40 graus Seguro até 37 graus
40% Até 42 graus Até 38 graus Até 35 graus Até 32 graus 45% Até 37 graus Até 33 graus Até 30 graus Até 27 graus
50% Seguro até 32 graus Seguro até 28 graus Seguro até 25 graus Não recomendado
Para um tanque de passivação com 35% de ácido nítrico e uma temperatura aparente de 45 graus, uma bainha 316 de 1,2-mm a 10 W/cm² daria uma temperatura de superfície de cerca de 60 graus, o que está além do limite seguro de 47 graus mencionado acima. O aquecedor seria suscetível a ataques intergranulares. Ao reduzir a densidade de watts para 5 W/cm2, a temperatura da superfície é mantida em 53 graus, o que está abaixo do limite seguro de 57 graus para ácido a 25%, mas além do limite de 47 graus para ácido a 35% - indicando que uma combinação de redução de capacidade e modificação de concentração é necessária.

Mudanças de design para evitar ataques intergranulares
Quatro ajustes de projeto estão disponíveis para evitar ataque intergranular se as condições do processo de passivação exigirem concentrações e temperaturas de ácido nítrico que excedam os limites aceitáveis ​​para uma bainha 316 de 1,2 mm de espessura. A primeira é especificar 316L (baixo carbono), não 316 comum. O menor teor de carbono limita a precipitação de carboneto de cromo durante a soldagem, portanto, a zona-afetada pelo calor é insensível à sensibilização mesmo em temperaturas mais altas. 316L aumenta o limiar de ataque intergranular 10-15 graus acima do 316 normal. A segunda alteração é o recozimento pós-soldagem da zona de fixação do flange. O recozimento por indução localizado a 1050 graus e a têmpera dissolvem os carbonetos de cromo e restauram a resistência à corrosão. A próxima mudança é diminuir a temperatura do ácido em 5–10 graus. Pequenas reduções de temperatura podem aumentar significativamente a vida útil sem afetar a eficácia da passivação. Quarto, aumentar a passagem do ácido através da superfície de aquecimento. O fluxo turbulento reduz o aumento da temperatura da superfície da bainha de 15 graus para 8-10 graus na mesma densidade de watts. O fluxo turbulento reduz com sucesso o aquecedor sem redução de potência. Para tanques de passivação que trabalham em temperaturas acima de 45 graus em ácido nítrico de 30 a 40%, os engenheiros podem considerar a atualização para um aço inoxidável com alto teor de silício, como o Durimet 20 ou uma liga de titânio. Esses materiais são quase impermeáveis ​​ao ataque intergranular do ácido nítrico, independentemente da soldagem ou da história térmica. Ao especificar aquecedores para serviço de passivação, sempre mencione a concentração correta de ácido nítrico, a temperatura inicial e se o aquecedor possui ou não acessórios soldados. Se um fabricante recomenda 316 para ácido nítrico a 40% a 50°C sem qualquer menção à redução da densidade de watts ou ao grau 316L, isso não é um conselho técnico completo. É gradual e a zona afetada pelo calor de uma bainha soldada de 1,2 mm fica mais fina até que o flange se solte ou a bainha vaze em ácido nítrico. O procedimento correto de soldagem é uma medida preventiva muito mais eficiente do que a inspeção, uma vez que o ataque às vezes não é visível até que uma grande quantidade de material tenha sido perdida da zona de solda.