Qual é a espessura máxima permitida da parede da bainha de aço inoxidável 316 para um aquecedor elétrico de imersão em água deionizada de alta-pureza acima de 90 graus Celsius?Qual é a espessura máxima permitida da parede da bainha de aço inoxidável 316 para um aquecedor elétrico de imersão em água deionizada de alta-pureza acima de 90 graus Celsius?

High-purity deionised water is a dilemma for engineers designing electric immersion heaters for semiconductor manufacturing, medicinal water systems and laboratory equipment. Deionised water is highly corrosive to many metals since it lacks dissolved ions to provide protective passive layers, even though it has great electrical resistance. The passive chromium oxide coating on 316 stainless steel is stable in deionised water at room temperature. However, at higher temperatures (>80 graus) a solubilidade do oxigênio cai e o potencial de corrosão aumenta, resultando em uma mudança de corrosão passiva para ativa. A espessura da parede da bainha 316 rege a tolerância à corrosão ao longo da vida útil do aquecedor e a temperatura da superfície para uma determinada densidade de watts. As estatísticas de taxa de corrosão publicadas, juntamente com a experiência prática do setor de água ultrapura, são usadas para determinar a espessura de parede máxima aceitável para 316 bainhas em serviços de água deionizada de alta pureza.

Mecanismos de corrosão do aço inoxidável 316 em água deionizada em alta temperatura
Em água deionizada de alta pureza (resistividade > 1 megohm-centímetro), a concentração de íons hostis, como cloretos, é muito baixa. Mas essa ausência de sais dissolvidos não torna necessariamente a água amigável. Para temperaturas acima de 80 graus, o aço inoxidável 316 é propenso à corrosão geral e, mais seriamente, à corrosão localizada em locais onde o filme passivo é quebrado. A taxa de corrosão na água desionizada está relacionada com Arrhenius, aumentando cerca de um factor de dois por cada aumento de 25 graus na temperatura. A taxa geral de corrosão de 316 em água deionizada a 90 graus é de aproximadamente 0,02 a 0,05 mm/ano. A taxa aumenta para 0,10-0,20 milímetros por ano a 120 graus C. A 150 graus a taxa é de 0,30-0,50 mm/ano. Embora estas taxas possam parecer baixas, para um aquecedor concebido para funcionar continuamente durante 5 a 10 anos, uma taxa de desgaste de 0,10 mm por ano representa 0,5 a 1,0 mm de espessura de parede. A espessura inicial da bainha de 1,0 mm diminuiria para 0,5 mm após cinco anos, quando a integridade mecânica for duvidosa. A ferrugem não é perfeitamente uniforme. A corrosão por picadas e frestas, especialmente nas interfaces de montagem e zonas de solda, pode causar taxas de penetração localizadas duas a cinco vezes maiores que a taxa de corrosão geral.

Efeitos da espessura da parede e da vida útil da água deionizada
A relação entre a espessura da parede da bainha 316 e a vida útil em água desionizada a alta temperatura é quase linear se a corrosão geral for o mecanismo principal. Para uma vida útil de 5 anos a 95 graus com uma taxa de corrosão de 0,04 mm/ano, a tolerância à corrosão necessária é de 0,20 mm. Isto com uma espessura de parede estrutural mínima de 0,7 mm significa que é necessária uma espessura de parede inicial de 0,9 mm. Uma bainha de 1,2 mm proporcionaria uma margem de segurança de 0,3 mm acima do limite de corrosão e proporcionaria uma vida útil possível superior a oito anos. Mas para uma determinada densidade de watts, paredes mais espessas significam temperaturas mais elevadas na superfície exterior. As temperaturas de superfície mais elevadas aceleram exponencialmente a corrosão na água desionizada. Uma bainha de 2,0 mm a 10 W/cm² em água a 95 graus pode ter uma temperatura de superfície externa de 115 graus. A taxa de corrosão nesta temperatura é de cerca de 0,08 mm por ano,-o dobro da bainha de 1,2 mm a uma temperatura de superfície de 105 graus. A bainha mais espessa requer maior resistência à corrosão, mas também corrói mais rapidamente. Esta interação estabelece uma espessura de parede ideal para maior vida útil, em vez de uma relação monotônica. Os dados de corrosão publicados foram usados ​​para calcular a espessura ideal da parede do revestimento 316 para vida útil máxima em água deionizada a 95 graus a 10 W/cm², que é da ordem de 1,4 mm. Uma tolerância à corrosão inferior a 1,0 mm não é suficiente. Acima de 1,8 mm, o aumento da corrosão devido à maior temperatura superficial domina o material adicional.

Espessura máxima de parede recomendada para serviço com água deionizada
A tabela a seguir fornece espessuras de parede de revestimento máximas sugeridas de 316 para aquecedores elétricos de imersão em serviços de água deionizada de alta-pureza. Os valores são para operação contínua, níveis de oxigênio < 100 partes por bilhão e resistividade > 1 megohm-centímetro. As taxas de corrosão podem ser mais altas e, portanto, devem ser fornecidos sistemas com níveis mais elevados de oxigênio ou pureza mais baixa e paredes mais finas.

Temperatura da água deionizada Faixa de densidade de watts recomendada Máxima recomendada 316 Espessura da parede da bainha Vida útil esperada na espessura máxima Modo de falha na espessura máxima Recomendação alternativa 80 - 90 graus 8 - 12 W/cm2 1.8 mm 8 - 10 anos Redução de corrosão geral Aceitável para aplicações de longa-vida útil 80 - 90 graus 12 - 15 W/cm2 1.4 mm 6 - 8 anos Corrosão mais estresse térmico Recomendação padrão 90 – 100 graus 6 – 10 W/cm2 1.6 mm 5 – 7 anos Corrosão em defeitos superficiais Reduza a densidade de watts para maior vida útil
90 – 100 graus 10 – 12 W/cm² 1,2 mm 4 – 6 anos Corrosão geral Especificação mais típica 100 – 120 graus 4 – 8 W/cm² 1,2 mm 3 – 5 anos Corrosão acelerada Considere bainha de titânio
100 – 120 graus 8 – 10 W/cm² 1,0 mm 2 – 3 anos Fadiga por corrosão Liga de atualização recomendada
>120 graus<5 W/cm² Not advisable Unpredictable Sudden localised corrosion Use titanium or alloy C-276
Para aplicações de água deionizada acima de 100 graus, os engenheiros devem considerar seriamente a atualização do aço inoxidável 316 para titânio ou uma liga de alto-níquel, como a Liga 22. O titânio tem uma taxa de corrosão em água desionizada-de alta temperatura, duas ordens de magnitude menor que 316. Isso permite paredes substancialmente mais finas e vida útil mais longa. O custo inicial mais elevado do titânio é muitas vezes compensado por substituições menos frequentes e pela ausência de risco de contaminação metálica em operações sensíveis.

Alterações de projeto para aumentar a vida útil sem aumentar a espessura da parede do tubo
Quando uma bainha 316 espessa é necessária por razões mecânicas, como confinamento de pressão ou resistência à vibração em uma aplicação de água deionizada, há três ajustes de projeto que podem compensar a corrosão acelerada causada por temperaturas superficiais mais altas. A primeira e mais eficaz é minimizar a densidade de watts. A diminuição da temperatura da superfície externa da bainha em aproximadamente 10–15 graus na redução da densidade de watts de 12 W/cm² para 6 W/cm² leva à diminuição da taxa de corrosão em 30–40%. A desvantagem é que você precisará de aquecedores mais longos ou maiores para obter a mesma potência geral. A segunda alteração é passivar a superfície da bainha após sua fabricação. O tratamento de passivação com ácido nítrico ou ácido cítrico elimina o ferro livre e as impurezas superficiais para gerar um revestimento passivo mais uniforme e estável que resiste ao início da corrosão. Em testes controlados, as bainhas 316 passivadas exibiram taxas de corrosão 20-30% mais baixas do que aquelas de amostras não passivadas em água deionizada. A terceira alteração é o controle químico da água. Mantenha o oxigênio dissolvido abaixo de 5 partes por bilhão. Use cobertura de nitrogênio ou desgaseificação a vácuo para conseguir isso. Isto diminui a taxa de reação catódica e inibe a corrosão. Mas níveis muito baixos de oxigênio também podem levar à instabilidade passiva do filme. Portanto, uma janela limitada de 5 a 50 partes por bilhão é a melhor. Estes ajustes não são possíveis para a maioria dos sistemas de água deionizada e o controle da espessura da parede é o principal meio de controlar a vida útil da corrosão. Em vez de escolher uma espessura de parede de acordo com as regras mecânicas, os engenheiros devem informar o fabricante do aquecedor sobre a vida útil necessária e solicitar uma tolerância à corrosão calculada com base na temperatura operacional prevista e na densidade de watts.