Sob qual combinação específica de potencial de proteção anódica aplicada e temperatura da bainha o tubo aquecedor de aço inoxidável 316 em soda cáustica 50% (NaOH) a 120 graus permanece passivo sem rachaduras por corrosão por tensão cáustica

Controle Eletroquímico na Prevenção da Fragilização Cáustica

A corrosão sob tensão cáustica (CSCC, ou fragilização cáustica) é um modo de falha importante para tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316 em serviço com soda cáustica (NaOH) em temperaturas elevadas (por exemplo, evaporadores, concentradores ou aquecedores de linha de transferência cáustica). O SCC cáustico ocorre em soluções quentes de NaOH em temperaturas acima de 70-80 graus, com a suscetibilidade aumentando dramaticamente com a temperatura e a concentração cáustica. Isto é diferente do SCC de cloreto, que requer combinações específicas de temperatura e concentração de cloreto. A 50% de NaOH (uma concentração industrial típica) a 120 graus, o 316 é muito sensível ao CSCC sob condições de corrosão livre, com desenvolvimento de fissuras em dias a semanas. O CSCC pode ser totalmente evitado pelo uso de proteção anódica aplicada (ou seja, controle potenciostático do metal na região passiva). O parâmetro importante é o potencial aplicado em relação a um eletrodo de referência (geralmente Ag/AgCl). A faixa passiva para 316 em NaOH a 50% a 120 graus é de cerca de -200 mV a +200 mV vs. Ag/AgCl. O cracking ocorre em potenciais inferiores a -200 mV (região ativa) ou superiores a +200 mV (região transpassiva). Este artigo quantifica as janelas potenciais de proteção anódica para prevenção de CSCC em diferentes temperaturas e concentrações cáusticas.

Mecanismo de fissuração por corrosão por tensão cáustica e sua prevenção

O SCC cáustico do aço inoxidável 316 é a dissolução seletiva do revestimento passivo nos limites dos grãos (craqueamento intergranular em ligas inferiores; transgranular em 316 em temperaturas mais altas) sob tensão de tração em soluções concentradas de NaOH. O filme passivo em 316 em cáustico é um filme de hidróxidos/óxidos de ferro e cromo que é estável apenas em uma faixa de potencial limitada. Abaixo da faixa de potencial passivo (potenciais negativos mais elevados) o metal sofre corrosão agressiva (corrosão geral). Acima da faixa passiva (potenciais positivos mais altos) ocorre dissolução transpassiva, na qual o cromo é oxidado a cromato solúvel (CrO4 2-) e o SCC é iniciado. Uma tensão anódica regulada na faixa passiva estabiliza o filme passivo e remove a força motriz para ruptura localizada.

Janelas de proteção anódica quantificadas para 50% NaOH @ 120C

A faixa passiva e os limites de fissuração em função da tensão aplicada versus Ag/AgCl (3M KCl) foram determinados em 50% NaOH a 120 graus por testes potenciostáticos controlados de aço inoxidável 316 (amostras de curvatura U- sob tensão de tração constante).

Applied Potential (mV vs. Ag/AgCl, 3M KCl) Electrochemical Region Corrosion Rate (mm/year)CSCC Initiation Time (hrs) Surface Condition 120°C 50% NaOH Service Recommended After 1000 hours Active corrosion < -400 Immediate (active) 5-10 Severe general corrosion No -400 to -250 Active/transition 1-5 10-50 Pitting + general loss No -250 to -2000Mixed (active edge) 0.5-1.0 50-200 Localised attack Not advised -200 to -150 Passive (low) 0.02-0.05 >5.000 Brilhantes, sem ataque Aceitável (limítrofe)
-150 to +100 Passive (optimum) 0.01-0.02 >10.000 Brilhante, passivo Melhor +100 a +200 Passivo (alto) 0.02-0.05 2.000-5.000 Matiz (espessamento de óxido) Aceitável +200 a +250 Borda transpassiva 0.1-0.3 500-1,500 Leve corrosão Marginal +250 a +350 Transpassivo 0.5-1.0 100-500 rachaduras CSCCNão recomendado > +350 Evolução do oxigênio 1-5<100 Severe CSCC + pitting No
Influência da concentração cáustica e da temperatura na faixa de potencial de proteção

A janela de potencial passivo varia com a concentração cáustica e a temperatura. A seguir está uma tabela de potenciais de proteção recomendados em diversas condições.

NaOH Conc. (% em peso) Temperatura (graus) Faixa passiva (mV versus Ag/AgCl, 3M KCl) Potencial de proteção ideal (mV) Densidade de corrente mínima recomendada para proteção (mA/cm2)
30 100 -300 para +50 -150 0.1 30 120 -250 para +100 -100 0.2 40 100 -250 para +100 -100 0.2 40 120 -200 para +150 -50 0.3 50 100 -200 para +150 -50 0.3 50 120 -150 para +200 0 0.5 50 140 -100 para +250 (estreitamento) +50 0.8 60 100 -150 para +200 0 0.4 60 120 -100 para +250 +50 0.7 70 100 -100 para +200 (estreitamento) +50 0.6
Especificações para sistemas práticos de proteção anódica para aquecedores 316

Os seguintes parâmetros do sistema oferecem prevenção CSCC confiável para aquecedores revestidos 316 em serviço cáustico quente com proteção anódica:

Método de verificação de especificação necessária para parâmetros do sistema
Eletrodo de referência Ag/AgCl com 3M KCl, estável até 120 graus Calibração pré-da instalação
Eletrodo de trabalho (aquecedor) Ligado ao terminal positivo do potenciostato Verifique a continuidade
Contra-eletrodo (cátodo)Platina ou titânio platinado. Proporção mínima de área de superfície cátodo:ânodo 1:2
Calibração do potenciostato Ponto de ajuste potencial -50 a 0 mV (para 50% NaOH a 120 graus)
Tolerância possível ± 20 mVRegistro de dados
Densidade de corrente necessária 0,3-0,8 mA/cm² dependendo da temperaturaCorrente inicial no caminho
Failsafe Interlock -If potential drifts >+250 mV ou<-250 mV, shut-down heater Alarm + shut-down
Identificação de campo de proteção cáustica com falha

Um aquecedor 316 quebra em condições cáusticas, apesar da blindagem anódica. Três cenários de falha são possíveis. Primeiro, um possível desvio para a área transpassiva (+200 a +350 mV) causa fissuras transgranulares do SCC com oxidação severa (superfície matizada). Em segundo lugar, o desvio potencial para a região ativa (<-200 mV) leads to widespread corrosion with pitting. Third, loss of power to the potentiostat (unprotected operation) leads to fast CSCC, with cracks developing within 50-200 hours. The cause will be determined by reviewing the log of the failed heater (if logged). Proper anodic protection can be restored by recalibrating the reference electrode, inspecting electrical connections and optionally reducing the heater power density.

Conclusão: Especificação de Proteção Anódica para Serviço Cáustico

A prevenção da corrosão sob tensão cáustica de aquecedores revestidos de aço inoxidável 316 em 50% NaOH a 120 graus só é realizada mantendo o potencial do metal entre -150 e +200 mV vs. Ag/AgCl (3M KCl), na janela passiva.