인산염 비료 생산, 금속 처리조 및 인산을 취급하는 식품 가공 장비에서 전기 침지 히터를 작동하는 화학 공정 엔지니어의 경우 외장 재료로 316 스테인리스강을 선택할 때 내식성과 열 성능 모두에 세심한 주의가 필요합니다. 인산은 염산이나 황산보다 덜 공격적이지만 80도 이상의 높은 온도와 10% 이상의 농도에서는 특히 용접 영역과 잔류 응력이 높은 영역에서 316 스테인리스강에 가속 공격을 일으킬 수 있습니다. 외장의 벽 두께는 히터의 사용 수명 동안 사용할 수 있는 부식 허용치를 결정하지만 벽이 얇아지고 국부 전류 밀도가 증가함에 따라 부식 속도가 증가하는 경우가 많기 때문에 관계는 비선형적입니다. 이 기사에서는 공개된 부식 데이터와 화학 공장의 현장 경험을 바탕으로 110도에서 15% 인산의 1.2mm 316 보호관에 대한 정량적 사용 수명 예측을 제공합니다.
뜨거운 인산에서 316 스테인레스 강의 부식 거동
80도 이상의 온도에서 10%~30% 농도의 인산에서 316 스테인리스강은 산 순도, 온도 및 유속에 따라 연간 0.1~0.5mm 범위의 일반적인 부식 속도를 나타냅니다. 부식 메커니즘은 기본적으로 구멍이 생기기보다는 균일하게 얇아지는 것입니다. 왜냐하면 인산은 강하게 산화되지 않고 국부적인 공격을 촉진하는 염화물을 포함하지 않기 때문입니다. 그러나 상업용-등급 인산-, 특히 인광석의 불화물, 황산염 및 염화물{10}}에 포함된 불순물은 공격을 가속화하고 구멍을 촉진할 수 있습니다. 일반적인 산업 순도의 110도에서 15% 인산의 경우 316의 일반적인 부식 속도는 연간 약 0.25mm입니다. 이 속도는 외장 표면 온도가 벌크 산 온도의 5도 이내라고 가정합니다. 실제로 히터 외장은 열유속으로 인해 더 높은 온도에서 작동합니다. 110도 산에서 6W/cm²로 작동하는 1.2mm 벽 316 외장의 경우 외부 표면 온도는 약 125도입니다. 이 온도에서 부식 속도는 연간 약 0.35mm로 증가합니다. 열 유속으로 인한 온도 상승은 벌크 산 온도에만 비해 부식 속도에 약 40%를 추가합니다.
1.2mm 벽 두께에 대한 서비스 수명 계산
1.2mm 316 외장은 공칭 두께 1.2mm로 시작하지만 제조 공차 ±0.1mm는 최소 두께가 1.1mm일 수 있음을 의미합니다. 수명 계산을 위해 보수적인 접근 방식은 최소 두께를 사용합니다. 연간 0.35mm의 부식률은 연간 0.35mm를 소모합니다. 그러나 파손되기 전에 벽 두께 전체가 부식될 수 있는 것은 아닙니다. MgO 팽창으로 인한 내부 압력과 외부 공정 압력을 견디려면 최소 구조 두께 0.5mm가 필요합니다. 따라서 사용 가능한 부식 허용치는 1.1mm에서 0.5mm를 뺀 0.6mm입니다. 연간 0.35mm에서 계산된 사용 수명은 0.6을 0.35로 나눈 값이 1.7년입니다. 이는 외장이 최소 구조적 두께에 도달할 때까지의 시간입니다. 실제로 안전 여유를 확보하기 위해 남은 벽 두께가 0.7~0.8mm에 도달하면 히터를 교체하는 경우가 많습니다. 해당 교체 임계값에서 서비스 수명은 약 1.2년으로 단축됩니다. 5-사용 수명의 경우 초기 벽 두께는 0.35에 5를 곱하고 구조적 여유에 0.5를 더한 값에 0.1 공차를 더한 값이 2.35mm-약 2.5mm가 되어야 합니다. 따라서 이 서비스의 1.2mm 벽 316 외장은 연간 교체가 허용되는 응용 분야에만 적합합니다.
인산 서비스에 권장되는 벽 두께
다음 표는 농도, 온도 및 목표 서비스 수명을 기준으로 인산 서비스에서 전기 침수형 히터에 권장되는 316 외장 벽 두께를 제공합니다. 값은 일반적인 불순물이 포함된 상업용{2}}등급 산과 4~6W/cm²의 와트 밀도를 가정합니다.
| 인산 농도 | 벌크 산 온도 | 목표 수명 | 권장 최소 벽 두께 316 | 표면의 예상 부식률 | 권장 두께에서의 수명 |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 – 15% | 80 – 100도 | 2년 | 1.2mm | 0.20~0.30mm/년 | 1.5~2.5년 |
| 10 – 15% | 80 – 100도 | 5년 | 2.0mm | 0.20~0.30mm/년 | 4 – 6년 |
| 10 – 15% | 100 – 120도 | 2년 | 1.6mm | 0.30~0.45mm/년 | 2~3년 |
| 10 – 15% | 100 – 120도 | 5년 | 2.5mm | 0.30~0.45mm/년 | 5~7년 |
| 15 – 25% | 80 – 100도 | 2년 | 1.6mm | 0.25~0.40mm/년 | 2~3년 |
| 15 – 25% | 80 – 100도 | 5년 | 2.5mm | 0.25~0.40mm/년 | 5~6년 |
| 15 – 25% | 100 – 120도 | 1년 | 1.6mm | 0.40~0.60mm/년 | 1~2년 |
| 15 – 25% | 100 – 120도 | 3년 | 2.5mm | 0.40~0.60mm/년 | 3~4년 |
| 25% 이상 | 모든 온도 | 어느 | 권장되지 않음 | 0.60mm/년 이상 | 예측할 수 없음; 더 높은 합금을 사용 |
100도 이상의 온도에서 인산 농도가 25%를 초과하는 경우 316 스테인레스 스틸은 일반적으로 벽 두께에 관계없이 적합하지 않습니다. 이러한 조건에서 엔지니어는 합금 20(Carpenter 20) 또는 합금 625와 같은 고-몰리브덴 합금으로 업그레이드해야 합니다. 이 합금은 뜨거운 인산에서 부식 속도가 316보다 두 자릿수 낮습니다.
벽 두께를 늘리지 않고 서비스 수명을 연장하기 위한 설계 수정
공간이나 열 반응 제약으로 인해 뜨거운 인산 서비스에 1.2mm 316 보호관을 사용해야 하는 경우 세 가지 설계 수정을 통해 계산된 1.7년 이상으로 서비스 수명을 연장할 수 있습니다. 첫 번째는 와트 밀도를 줄이는 것입니다. 6W/cm² 대신 3W/cm²에서 작동하면 피복 표면 온도가 125도에서 약 116도로 감소하여 부식 속도가 연간 0.35mm에서 약 0.22mm로 낮아집니다. 이로써 서비스 수명이 1.7년에서 2.7년으로 연장됩니다. 두 번째 수정은 설치 전 50도에서 60분 동안 20% 질산으로 외장 표면을 부동태화하는 것입니다. 패시베이션은 내장된 철 입자를 제거하고 산화크롬 층을 두껍게 하여 사용 후 처음 몇 달 동안 초기 부식 속도를 20~30% 줄입니다. 세 번째 수정은 산 순도를 조절하는 것입니다. 불화물을 50ppm 미만으로, 염화물을 100ppm 미만으로 유지할 수 있으면 부식 속도가 연간 0.15~0.20mm로 떨어져 서비스 수명이 3~4년으로 연장될 수 있습니다. 예상치 못한 히터 고장으로 인해 상당한 생산 손실이 발생하는 중요한 응용 분야의 경우 엔지니어는 예비 히터를 설치하거나 이중 히터로 탱크를 설계하여 하나를 교체하고 다른 하나는 온도를 유지할 수 있도록 해야 합니다. 예비 히터 비용은 지속적인 화학물질 생산에서 계획되지 않은 가동 중단으로 인한 비용에 비해 그리 많지 않습니다. 인산 서비스용 히터를 지정할 때 항상 공정 흐름에서 실제 산을 사용하여 부식 쿠폰 테스트를 요청하십시오. 게시된 데이터는 추정치를 제공하지만 실제-산 순도는 공장마다, 심지어 생산 배치 간에도 크게 다릅니다. 예상 피복 온도에서 공정 산에 담근 1.2mm 316 샘플을 사용한 3{35}개월 쿠폰 테스트는 사용 수명을 가장 신뢰할 수 있는 예측 변수입니다. 이 테스트 비용은 일반적으로 히터 하나가 고장난 비용보다 적습니다.
