Berapa Ketebalan Dinding Selubung Baja Tahan Karat 316 Maksimum yang Diijinkan untuk Pemanas Perendaman Listrik dalam Layanan Asam Nitrat di atas Konsentrasi 20 Persen pada 80 Derajat Celcius?

Insinyur proses kimia yang memilih baja tahan karat 316 sebagai bahan selubung untuk pemanas perendaman listrik dalam layanan asam nitrat untuk jalur pengawetan logam, manufaktur kimia, dan sistem pencernaan laboratorium, harus menyadari ketahanan korosi dan kinerja termal. Asam nitrat unik di antara asam mineral karena bersifat mengoksidasi. Hal ini membantu mengembangkan lapisan pasif pada baja tahan karat. Namun 316 masih dapat mengalami korosi yang cepat pada konsentrasi yang melebihi 20% dan pada suhu di atas 60 derajat, terutama jika asamnya terkontaminasi dengan klorida atau jika suhu permukaan selubungnya terlalu tinggi. Ketebalan dinding selubung 316 berdampak pada ketahanan korosi pada masa pakai pemanas dan suhu permukaan pada kepadatan watt tertentu. Faktanya, dinding yang lebih tebal meningkatkan suhu permukaan yang dapat menyebabkan korosi lebih cepat. Berdasarkan diagram isokorosi yang dipublikasikan dan data lapangan, artikel ini menyajikan ketebalan dinding maksimum yang diijinkan untuk 316 selubung dalam layanan asam nitrat.

Ketahanan Korosi Baja Tahan Karat 316 terhadap Asam Nitrat
316 stainless steel is protected in high-concentration nitric acid by a passive chromium oxide coating. The corrosion rate is usually < 0.1 mm per year at normal temperature. The corrosion rate increases with temperature but the relation is not monotonic. At nitric acid concentrations of 20 to 40% and temperatures over 70°C, 316 is in the transpassive region where the protective coating breaks down locally, resulting in pitting and intergranular assault. At concentrations >60%, asam menjadi teroksidasi kuat dan lapisan film pasif kembali terbentuk sehingga menurunkan laju korosi. Daerah yang paling agresif untuk 316 dalam asam nitrat adalah sekitar konsentrasi 30-50% pada suhu 80-100 derajat dimana laju korosi mungkin mencapai 0,5-1,0 mm per tahun. Fluks panas ke pemanas perendaman menyebabkan suhu permukaan selubung biasanya 20-50 o C di atas suhu asam curah. Pemanas dalam asam curah 80 derajat pada 8 W/cm² akan memiliki suhu permukaan selubung 105–115 derajat , yang berada dalam kisaran laju korosi yang tinggi. Namun keterkaitan antara ketebalan dinding, kepadatan watt dan suhu permukaan berarti bahwa selubung yang lebih tebal, meningkatkan suhu permukaan untuk kepadatan watt tertentu, sebenarnya dapat memperpendek masa pakai, meskipun memasok lebih banyak bahan awal.

Tingkat Korosi dan Pengaruh Ketebalan Dinding Umur Layanan
Dengan bertambahnya ketebalan dinding selubung, ketahanan termal tambahan meningkat secara linier dengan suhu permukaan luar untuk kepadatan watt tertentu dan suhu asam curah. Laju korosi pada asam nitrat 40% dan suhu curah 80 derajat adalah sekitar 0,3 mm/tahun, suhu permukaan selubung menjadi 95 derajat. Pada suhu 110 derajat laju korosi meningkat menjadi sekitar 0,7 mm per tahun. Pada suhu 125 derajat lajunya mendekati 1,2 mm/tahun. Sekarang pertimbangkan pemanas dengan 6 W/cm$^2$ dan ketebalan dinding 1,0 mm. Temperatur permukaan sekitar 100 derajat yang memberikan laju korosi 0,4 mm per tahun. Tunjangan korosi sebesar 0,4 mm terhadap ketebalan 1,0 mm memungkinkan integritas struktural 0,6 mm sehingga memberikan masa pakai yang aman sekitar 2,5 tahun. Pemanas yang sama dengan ketebalan dinding 2,0 mm pada kepadatan watt yang sama memiliki suhu permukaan sekitar 118 derajat dan karenanya laju korosi 0,9 mm per tahun. Dengan batas korosi 0,9 mm dibandingkan 2,0 mm, sehingga menyisakan 1,1 mm, memberikan masa pakai sekitar 2,4 tahun - hampir sama tetapi dengan dua kali ketebalan dinding aslinya. Dinding yang lebih tebal tidak memperpanjang umur karena lebih cepat terkorosi. Kesimpulan paradoks ini menunjukkan bahwa untuk pengoperasian asam nitrat terdapat ketebalan dinding ideal yang menyeimbangkan material awal versus percepatan korosi. Perhitungan berdasarkan data korosi yang dipublikasikan menunjukkan ketebalan dinding selubung 316 yang ideal sekitar 1,2-1,4 mm untuk asam nitrat 40% pada 80 derajat dengan kepadatan watt 6-8 W/cm² untuk memberikan masa pakai terlama.

Ketebalan Dinding Maks yang Direkomendasikan Untuk Layanan Asam Nitrat
Tabel berikut memberikan rekomendasi ketebalan dinding selubung maksimum untuk pemanas rendam listrik dalam layanan asam nitrat. Nilai tersebut ditujukan untuk pengoperasian berkelanjutan, asam bersih tanpa kontaminasi klorida, dan masa pakai minimal dua tahun. Untuk persyaratan masa pakai yang lebih lama, akan lebih bermanfaat untuk mengurangi kepadatan Watt daripada menambah ketebalan dinding.

Konsentrasi Asam Nitrat Suhu Asam Curah Kisaran Kepadatan Watt yang Direkomendasikan Watt Maksimum yang Direkomendasikan 316 Ketebalan Dinding Selubung Laju Korosi yang Diharapkan pada Ketebalan Maksimum Perkiraan Masa Pakai pada Ketebalan Maksimum 10 – 20% Hingga 90 derajat 8 – 12 W/cm² 2,0 mm 0,15 – 0,25 mm/tahun 5 – 8 tahun 20 – 30% 60 – 80 derajat 6 – 10 W/cm² 1,6 mm 0,30 – 0,50 mm/tahun 3 – 5 tahun 20 – 30% 80 – 95 derajat 4 – 7 W/cm² 1,2 mm 0,50 – 0,80 mm/tahun 2 – 3 tahun 30 – 50% 60 – 80 derajat 4 – 6 W/cm² 1,2 mm 0,60 – 1,00 mm/tahun 1,5 – 2,5 tahun 30 – 50% 80 – 95 derajat 2 – 4 W/cm² 1,0 mm 0,80 – 1,20 mm/tahun 1 – 2 tahun 50 – 70% Hingga 80 derajat 6 – 10 W/cm² 2,0 mm 0,10 – 0,20 mm/tahun 5 – 10 tahun 50 – 70% 80 – 100 derajat 4 – 7 W/cm² 1,6 mm 0,20 – 0,35 mm/tahun 4 – 6 tahun
Lebih dari 70%Hingga 100 derajat 8 – 12 W/cm² 2,5 mm Di bawah 0,10 mm/tahunLebih dari 10 tahun
Baja tahan karat 316 tidak cocok untuk asam nitrat dalam kisaran konsentrasi 30-50% pada suhu di atas 80 derajat C, berapa pun ketebalan dindingnya. Insinyur dalam kondisi seperti ini harus mempertimbangkan untuk meningkatkan ke baja tahan karat silikon tinggi seperti Durimet 20 atau paduan titanium. Titanium memiliki ketahanan korosi yang tinggi pada asam nitrat pada semua konsentrasi dan suhu dengan laju korosi di bawah 0,05 mm/tahun bahkan pada suhu didih. Biaya awal titanium yang lebih tinggi diimbangi oleh masa pakainya yang lebih lama dan hilangnya kemungkinan kegagalan besar akibat korosi lokal.

Modifikasi Desain untuk Memperpanjang Masa Pakai Tanpa Menambah Ketebalan Dinding
Tiga perubahan desain dapat meningkatkan masa pakai di lingkungan asam nitrat yang keras di mana penggunaan selubung 316 diperlukan dan ketebalan dinding dibatasi oleh kendala termal atau manufaktur. Yang pertama dan paling efektif adalah meminimalkan kepadatan watt. Menurunkan kerapatan watt dari 6 W/cm² menjadi 3 W/cm² menghasilkan penurunan suhu permukaan selubung sekitar 15–20 derajat , yang cukup untuk mengurangi laju korosi sebesar 40–60% di area transpasif. Komprominya adalah lebih banyak panjang atau diameter pemanas. Perubahan kedua adalah mempasifkan permukaan selubung dengan asam nitrat kuat sebelum pemasangan. Perendaman selama 30 menit dalam asam nitrat 30% pada suhu 60 derajat C menurunkan laju korosi awal sebesar 20-30%, mengentalkan lapisan pasif dan menghilangkan kontaminasi besi permukaan. Perubahan ketiga adalah pengendalian kimia asam. Konsentrasi ion nitrat harus dijaga di atas 0,5% dan bahkan kontaminasi klorida-di bawah 50 ppm-harus dihindari untuk mencegah peralihan ke korosi aktif. Jika klorida tidak dapat dikendalikan, berapapun ketebalan dindingnya, 316 tidak sesuai. Untuk aplikasi asam nitrat yang penting, para insinyur harus meminta uji kupon korosi dengan sampel bahan selubung aktual dalam asam proses aktual pada suhu permukaan yang diharapkan. Statistik korosi yang dipublikasikan dapat menjadi panduan tetapi kemurnian asam dan pengendalian suhu sebenarnya dapat sangat bervariasi. Biaya pengujian kupon lebih kecil dibandingkan dengan biaya kegagalan pemanas tak terduga yang mencemari kumpulan produk atau menghentikan jalur produksi. Saat memesan pemanas untuk pengoperasian asam nitrat, selalu tunjukkan perkiraan ketebalan dinding dan kepadatan watt serta minta perkiraan suhu permukaan dari pabrikan dan perkiraan laju korosi terkait. Jika pemasok tidak dapat menyampaikan perhitungannya, maka permohonan tidak boleh diberikan kepada mereka.