Pada Kombinasi Spesifik Konsentrasi Kaustik dan Suhu Permukaan Selubung Apa yang Terjadi Transisi Selubung Baja Tahan Karat 1,6 Milimeter 316 dari Korosi Pasif ke Aktif dalam Layanan Natrium Hidroksida untuk Sistem CIP?

Insinyur proses yang membangun pemanas celup listrik untuk sistem-di-tempat yang bersih untuk pemrosesan makanan, manufaktur farmasi, dan produksi minuman menggunakan natrium hidroksida sebagai bahan kimia pembersih utama. Larutan CIP tipikal terdiri dari 1-3% NaOH pada suhu 70-85 derajat. Dalam situasi ini, film pasif terbentuk, dan secara umum, ketahanan korosi baja tahan karat 316 baik. Namun, pada konsentrasi yang lebih tinggi atau suhu permukaan yang lebih tinggi dari kepadatan watt pemanas, lapisan pasif dapat rusak dan korosi aktif dapat terjadi dengan laju melebihi 1 milimeter per tahun. Ketebalan dinding khas pemanas CIP adalah 1,6 mm, memberikan kompromi yang masuk akal antara toleransi korosi dan respons termal. Makalah ini menetapkan konsentrasi kaustik dan suhu permukaan selubung di mana selubung 1,6 mm 316 berubah dari korosi pasif menjadi aktif dalam layanan natrium hidroksida.

316 Transisi Natrium Hidroksida dari Pasif ke Aktif
Natrium hidroksida unik di antara larutan alkali karena perilaku korosi baja tahan karat 316 menunjukkan transisi pasif-aktif yang jelas dan bergantung pada konsentrasi dan suhu. Dalam larutan encer di bawah 5% NaOH dan suhu di bawah 80oC, 316 tetap pasif dengan laju korosi kurang dari 0,05 mm per tahun. Ketika konsentrasi meningkat atau suhu meningkat, film pasif menjadi tidak stabil. Pada NaOH 10% suhu transisinya sekitar 90 derajat. Turun menjadi 75C 20% NaOH. Pada NaOH 30% nilainya turun menjadi 60 derajat. Pada NaOH 50%, lebih dari 40 derajat jangkauan pasifnya hilang sepenuhnya. Suhu permukaan selubung biasanya 15–30 derajat lebih tinggi daripada suhu larutan curah untuk pemanas perendaman karena kepadatan watt yang diterapkan. Sistem CIP dengan NaOH 3% dan suhu curah 80 derajat dengan pemanas 8 W/cm² memberikan suhu permukaan selubung 95-105 derajat. Lapisan pasif pada 316 dapat terurai pada suhu permukaan ini dan korosi aktif terjadi dengan kecepatan 0,5–2 mm per tahun. Korosi aktif akan melubangi selubung 1,6 mm dalam 1–3 tahun, namun pengoperasian pasif akan memberikan masa pakai 10+ tahun.

Ambang Batas Transisi Kritis untuk Selubung 1,6 mm
Pengujian elektrokimia terhadap 316 sampel dalam larutan natrium hidroksida pada suhu yang terkait dengan layanan CIP telah menunjukkan bahwa kombinasi konsentrasi kaustik massal dan suhu permukaan selubung berikut akan menyebabkan transisi pasif-ke-aktif untuk dinding 1,6 mm. Nilai tersebut adalah untuk pemolesan permukaan swaged standar dan kerapatan watt tipikal sebesar 6–8 W/cm².

Konsentrasi Natrium Hidroksida (Berat %) Pasif ke Transisi Aktif Suhu Permukaan Selubung Minimum untuk Korosi Aktif Suhu Curah Aman untuk Selubung 1,6 mm pada 8 W/cm2 (kenaikan 25 derajat) Perkiraan Laju Korosi pada Rezim Aktif
1 – 2% >100 derajat 100 derajat 75 derajat 0,3 – 0,7 mm/tahun
2 – 3% 95 – 100 derajat 95 – 100 derajat Hingga 70 – 75 derajat 0,5 – 1,0 mm/tahun
3 – 5% 85 – 95 derajat 85 – 95 derajat Hingga 60 – 70 derajat 0,8 – 1,5 mm/tahun
5 – 7% 75 – 85 derajat 75 – 85 derajat Hingga 50 – 60 derajat 1,0 – 2,0 mm/tahun
7 – 10% 65 – 75 derajat 65 – 75 derajat Hingga 40 – 50 derajat 1,5 – 3,0 mm/tahun
10 – 15% 55 – 65 derajat 55 – 65 derajat Hingga 30 – 40 derajat 2,0 – 4,0 mm/tahun
> 15% < 55 degrees CBelow 55°C Not safe at any useful temperature>3,0 mm/tahun
Untuk sistem CIP dengan suhu curah 80 derajat dan NaOH 2% yang menggunakan selubung 1,6 mm pada 8 W/cm2, suhu permukaan selubung adalah sekitar 105 derajat, lebih tinggi dari ambang batas transisi 100 derajat. Korosi aktif akan terjadi dan selubungnya bisa berlubang dalam 1-2 tahun. Menurunkan kerapatan watt menjadi 4 W/cm², menurunkan kenaikan suhu permukaan menjadi 12–15 derajat sementara suhu selubung tetap pada 92–95 derajat, yang berada di bawah ambang batas 100 derajat. Perubahan ini memungkinkan masa pakai 5-10 tahun.

Amplop Pengoperasian Aman Selubung 1,6 Milimeter Dalam Layanan CIP Caustic
Tabel berikut memberikan konsentrasi natrium hidroksida curah maksimum yang diizinkan untuk selubung 1,6 mm 316 pada berbagai temperatur curah dan kepadatan watt. Untuk nilai konsentrasi tertentu, suhu permukaan selubung dijaga setidaknya 5 derajat di bawah suhu transisi pasif-ke-aktif.

Larutan Massal Temperatur Kerapatan Watt 4 W/cm2 (kenaikan 12 derajat) Kerapatan Watt 6 W/cm2 (kenaikan 18 derajat) Kerapatan Watt 8 W/cm2 (kenaikan 25 derajat) Kerapatan Watt 10 W/cm2 (kenaikan 32 derajat) 60 derajat Aman hingga 10% NaOH Aman hingga 7% NaOH Aman hingga 5 % NaOH Aman hingga 3% NaOH 65 derajat Aman hingga 8% NaOH Persen aman hingga 5 NaOH Aman hingga 3% NaOH Aman hingga 2% NaOH 70 derajat Aman hingga 6% NaOH Aman hingga 4% NaOH Aman hingga 2% NaOH Tidak aman di atas 1% 75oC Tidak aman di atas 5% NaOH maks 3%, aman NaOH Aman hingga 1,5% NaOH Tidak aman di atas 1% 80 derajat Aman hingga 4% NaOH aman hingga 2% NaOH Tidak aman di atas 1,5% Tidak aman 85 derajat Aman hingga 3% NaOH Hingga 1,5% NaOH aman Tidak aman Tidak aman
90 derajat Aman hingga 2% NaOHTidak aman di atas 1% Tidak aman Tidak aman
Untuk siklus CIP tipikal pada 80 derajat dengan NaOH 2%, selubung 1,6 mm 316 hanya aman pada kepadatan watt 4 W/cm2 atau kurang. Pada kepadatan watt industri sebesar 8 W/cm², pemanas akan berada dalam kondisi korosi aktif dan masa pakai terbatas 1–3 tahun harus diprediksi daripada yang sering diasumsikan 5–10 tahun.

Perubahan Desain Operasi Pasif
Tiga modifikasi desain dapat dilakukan untuk mempertahankan operasi pasif tanpa mengubah material selubung pada kondisi proses CIP yang akan memaksa selubung 1,6 mm 316 mengalami korosi aktif (misalnya, konsentrasi atau suhu kaustik): Metode pertama adalah meningkatkan panjang elemen yang dipanaskan untuk mengurangi kepadatan watt. Menggandakan panjangnya (1 m menjadi 2 m) mengurangi kenaikan suhu permukaan selubung dari 25 derajat menjadi 12 derajat dan kembali ke fungsi pasif ketika kepadatan watt berkurang dari 8 W/cm2 menjadi 4 W/cm2 . Penyesuaian kedua adalah meningkatkan sirkulasi pada permukaan pemanas. Untuk kepadatan watt yang sama, kenaikan suhu permukaan dapat dikurangi hingga 8–10 derajat dengan kecepatan 2–3 m/s menggunakan pompa sirkulasi CIP. Perubahan terakhir adalah penambahan inhibitor korosi pada larutan kaustik. Silikat atau fosfat pada 100 hingga 200 ppm dapat menstabilkan film pasif pada 316 dan meningkatkan suhu transisi sebesar 10 hingga 20 derajat. Namun perubahan ini mungkin tidak akan cukup untuk sistem CIP yang memerlukan NaOH 5% pada suhu 80oC. Dalam hal ini teknisi harus menentukan penggunaan paduan berbahan dasar nikel seperti Alloy 600 atau Alloy 825, yang bersifat pasif dalam larutan kaustik hingga konsentrasi 50% pada suhu di atas 100 derajat . Biaya peningkatan dari 316 ke Alloy 825 biasanya 2-3 kali lebih besar, namun masa pakai meningkat dari 1-2 tahun menjadi 10-15 tahun. Selalu beri tahu pemasok saat menentukan pemanas untuk layanan CIP: konsentrasi maksimum kaustik, suhu curah, dan waktu siklus yang diharapkan. Ketika pabrikan menyarankan 316 untuk NaOH 5% pada 85 derajat C tanpa mempertimbangkan transisi pasif-aktif atau penurunan kepadatan watt, itu bukanlah saran teknis yang tepat. Perubahan dari korosi pasif menjadi aktif pada natrium hidroksida terjadi secara tiba-tiba dan merupakan fungsi suhu. Selubung 316 dengan ketebalan 1,6 mm yang beroperasi tepat di bawah ambang batas dapat bertahan selama sepuluh tahun; satu yang beroperasi tepat di luarnya mungkin gagal dalam 18 bulan. Analisis termal yang akurat terhadap suhu permukaan selubung diperlukan untuk spesifikasi yang andal.