Berapa Ketebalan Dinding Selubung Baja Tahan Karat 316 Maksimum yang Diijinkan untuk Pemanas Perendaman Listrik dalam Air Deionisasi dengan Kemurnian Tinggi di atas 90 Derajat Celcius?

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 derajat ) kelarutan oksigen turun dan potensi korosi meningkat sehingga terjadi perubahan dari korosi pasif menjadi korosi aktif. Ketebalan dinding selubung 316 mengatur batas korosi selama masa pakai pemanas dan suhu permukaan untuk kepadatan watt tertentu. Statistik laju korosi yang dipublikasikan, bersama dengan pengalaman praktis dari bisnis air ultra murni, digunakan untuk menentukan ketebalan dinding maksimum yang dapat diterima untuk 316 selubung dalam layanan air deionisasi dengan kemurnian tinggi.

Mekanisme Korosi Baja Tahan Karat 316 dalam Air Deionisasi Suhu Tinggi
Dalam air deionisasi dengan kemurnian tinggi (resistivitas > 1 megohm-sentimeter), konsentrasi ion berbahaya, seperti klorida, sangat rendah. Namun tidak adanya garam terlarut tidak serta merta menjadikan air ramah lingkungan. Untuk suhu di atas 80 derajat, baja tahan karat 316 rentan terhadap korosi umum dan lebih parah lagi terhadap korosi lokal di lokasi di mana lapisan pasif terpecah. Laju korosi pada air deionisasi berkaitan dengan Arrhenius, yaitu meningkat sekitar dua kali lipat untuk setiap kenaikan suhu sebesar 25 derajat. Laju korosi umum 316 dalam air deionisasi pada suhu 90 derajat kira-kira 0,02 hingga 0,05 mm/tahun. Angka ini meningkat menjadi 0,10-0,20 milimeter per tahun pada suhu 120 derajat C. Pada suhu 150 derajat, angkanya adalah 0,30–0,50 mm/tahun. Meskipun angka ini mungkin tampak rendah, untuk pemanas yang dirancang untuk bekerja terus menerus selama 5 hingga 10 tahun, tingkat keausan 0,10 mm per tahun mewakili ketebalan dinding 0,5 hingga 1,0 mm. Ketebalan selubung awal 1,0 mm akan berkurang menjadi 0,5 mm setelah lima tahun, bila integritas mekanisnya diragukan. Karatnya tidak merata sempurna. Korosi lubang dan celah, terutama pada antarmuka pemasangan dan zona las, dapat menyebabkan laju penetrasi lokal dua hingga lima kali lebih besar dibandingkan laju korosi umum.

Pengaruh Ketebalan Dinding dan Masa Pakai Air Deionisasi
Hubungan antara ketebalan dinding selubung 316 dan masa pakai dalam air deionisasi suhu tinggi hampir linier jika korosi umum adalah mekanisme utamanya. Untuk masa pakai 5 tahun pada suhu 95 derajat dengan laju korosi 0,04 mm/tahun, tunjangan korosi yang diperlukan adalah 0,20 mm. Dengan ketebalan dinding struktur minimal 0,7 mm berarti diperlukan ketebalan dinding awal 0,9 mm. Selubung 1,2 mm akan memberikan margin keamanan 0,3 mm di atas batas korosi, dan akan memberikan kemungkinan umur lebih dari delapan tahun. Namun untuk kepadatan watt tertentu, dinding yang lebih tebal berarti suhu permukaan luar yang lebih tinggi. Temperatur permukaan yang lebih tinggi secara eksponensial mempercepat korosi pada air deionisasi. Selubung 2,0 mm pada 10 W/cm² dalam air 95 derajat mungkin memiliki suhu permukaan luar 115 derajat . Laju korosi pada suhu ini sekitar 0,08 mm per tahun-dua kali lipat dibandingkan selubung 1,2 mm pada suhu permukaan 105 derajat. Selubung yang lebih tebal membutuhkan lebih banyak ketahanan korosi, tetapi juga lebih cepat terkorosi. Interaksi ini menghasilkan ketebalan dinding yang ideal untuk masa pakai terbaik, bukan hubungan yang monoton. Data korosi yang dipublikasikan telah digunakan untuk menghitung ketebalan dinding selubung 316 yang optimal untuk masa pakai maksimum pada air deionisasi 95 derajat pada 10 W/cm², yaitu sekitar 1,4 mm. Tunjangan korosi kurang dari 1,0 mm tidaklah cukup. Pada ukuran lebih dari 1,8 mm peningkatan korosi akibat suhu permukaan yang lebih besar mendominasi material tambahan.

Ketebalan Dinding Maksimum yang Direkomendasikan untuk Servis dengan Air Deionisasi
Tabel berikut memberikan saran ketebalan dinding selubung maksimum 316 untuk pemanas rendam listrik dalam layanan air deionisasi-kemurnian tinggi. Nilainya adalah untuk pengoperasian berkelanjutan, kadar oksigen < 100 bagian per miliar, dan resistivitas > 1 megohm-sentimeter. Tingkat korosi mungkin lebih tinggi sehingga sistem dengan tingkat oksigen lebih tinggi atau kemurnian lebih rendah dan dinding lebih tipis harus disediakan.

Suhu Air Deionisasi Kisaran Kepadatan Watt yang Direkomendasikan Maksimum yang Direkomendasikan 316 Ketebalan Dinding Selubung Perkiraan Masa Pakai pada Ketebalan Maksimum Mode Kegagalan pada Ketebalan Maksimum Rekomendasi Alternatif 80 – 90 derajat 8 – 12 W/cm2 1.8 mm 8 – 10 tahun Penipisan korosi umum Dapat diterima untuk-aplikasi masa pakai yang lama 80 – 90 derajat 12 – 15 W/cm2 1.4 mm 6 – 8 tahun Korosi ditambah tekanan termal Rekomendasi standar 90 – 100 derajat 6 – 10 W/cm2 1.6 mm 5 – 7 tahun Lubang pada cacat permukaan Mengurangi kepadatan watt untuk masa pakai yang lebih lama
90 – 100 derajat 10 – 12 W/cm² 1,2 mm 4 – 6 tahun Korosi umum Spesifikasi paling umum 100 – 120 derajat 4 – 8 W/cm² 1,2 mm 3 – 5 tahun Korosi yang dipercepat Pertimbangkan selubung titanium
100 – 120 derajat 8 – 10 W/cm² 1,0 mm 2 – 3 tahun Kelelahan korosi Direkomendasikan paduan upgrade
>120 derajat<5 W/cm² Not advisable Unpredictable Sudden localised corrosion Use titanium or alloy C-276
Untuk aplikasi air deionisasi melebihi 100 derajat , para insinyur harus secara serius mempertimbangkan peningkatan dari baja tahan karat 316 menjadi titanium atau paduan nikel tinggi seperti Paduan 22. Titanium memiliki laju korosi dalam air deionisasi suhu tinggi dua kali lipat lebih rendah dari 316. Hal ini memungkinkan dinding yang jauh lebih tipis dan masa pakai lebih lama. Biaya awal titanium yang lebih tinggi sering kali diimbangi dengan penggantian yang lebih jarang dan tidak adanya bahaya kontaminasi logam pada pengoperasian yang sensitif.

Perubahan Desain untuk Meningkatkan Umur Layanan Tanpa Menambah Ketebalan Dinding Pipa
Ketika selubung 316 yang tebal diperlukan karena alasan mekanis seperti pengekangan tekanan atau ketahanan getaran dalam aplikasi air deionisasi, ada tiga penyesuaian desain yang dapat mengimbangi percepatan korosi akibat suhu permukaan yang lebih tinggi. Yang pertama dan paling efektif adalah meminimalkan kepadatan watt. Penurunan suhu permukaan luar selubung sekitar 10–15 derajat dengan pengurangan kepadatan watt dari 12 W/cm² menjadi 6 W/cm² menyebabkan penurunan laju korosi sebesar 30–40%. Kerugiannya adalah Anda memerlukan pemanas yang lebih panjang atau lebih besar untuk mendapatkan watt keseluruhan yang sama. Perubahan kedua adalah mempasifkan permukaan selubung setelah pembuatannya. Perawatan pasivasi asam nitrat atau asam sitrat menghilangkan besi bebas dan pengotor permukaan untuk menghasilkan lapisan pasif yang lebih seragam dan stabil yang tahan terhadap timbulnya korosi. Dalam pengujian terkontrol, selubung 316 yang dipasifkan menunjukkan tingkat korosi 20-30% lebih rendah dibandingkan sampel non-pasivasi dalam air deionisasi. Perubahan ketiga adalah pengendalian kimia air. Jaga oksigen terlarut di bawah 5 bagian per miliar. Gunakan selimut nitrogen atau degassing vakum untuk mencapai hal ini. Ini menurunkan laju reaksi katodik dan menghambat korosi. Namun kadar oksigen yang sangat rendah juga dapat menyebabkan ketidakstabilan film pasif. Jadi, jendela terbatas 5–50 bagian per miliar adalah yang terbaik. Penyesuaian ini tidak mungkin dilakukan pada sebagian besar sistem air deionisasi dan pengendalian ketebalan dinding merupakan cara utama untuk mengendalikan umur korosi. Daripada memilih ketebalan dinding berdasarkan aturan praktis mekanis, para insinyur harus memberi tahu produsen pemanas tentang masa pakai yang diperlukan dan meminta perhitungan tunjangan korosi berdasarkan suhu pengoperasian yang diantisipasi dan kepadatan watt.