เหตุใดท่อทำความร้อนไฟฟ้าแบบเปลือกสแตนเลส 316 ในลูปฆ่าเชื้อโซเดียมไฮโปคลอไรต์ที่ 30–50 องศา จึงเกิดการกัดเซาะร่องลึกที่ขอบเขตสาม-ภายใน 200 ชั่วโมงของการบริการเป็นระยะๆ

โซเดียมไฮโปคลอไรต์ (NaOCl) มักใช้สำหรับการฆ่าเชื้อในการบำบัดน้ำในเขตเทศบาล การสุขาภิบาลของการแปรรูปอาหารและยา CIP (สะอาด-ใน-ระบบ) ท่อทำความร้อนไฟฟ้ามักใช้ในวงจรหมุนเวียนไฮโปคลอไรต์ เพื่อรักษาอุณหภูมิของสารละลายให้อยู่ในช่วง 30–50 องศา เพื่อประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อที่เหมาะสมที่สุด อย่างไรก็ตาม ความล้มเหลวในภาคสนามในโรงบำบัดน้ำหลายแห่งได้แสดงให้เห็นว่าปลอกสแตนเลส 316 นั้นไวต่อการโจมตีด้วยร่องที่รุนแรงในจุดนั้นในอากาศ-ของเหลว-ไอสาม-ขอบเขตเฟสใน 200 ถึง 500 ชั่วโมงของการบริการเป็นระยะๆ การโจมตีนี้ไม่สามารถมองเห็นได้ภายใต้สภาพเปียกหรือแห้งสนิทอย่างต่อเนื่อง ขอบเขตสาม-เฟส โดยที่เปลือกออกจากสารละลายไฮโปคลอไรต์และเข้าสู่ช่องว่างไอด้านบน ต้องเผชิญกับสภาวะต่างๆ ร่วมกัน รวมถึงวงจรการทำให้เปียกและการทำให้แห้ง การเพิ่มออกซิเจนผ่านการสัมผัสกับอากาศ การระเหยของไฮโปคลอไรต์และคลอไรด์สายพันธุ์ที่ทำให้เกิดความเข้มข้น และการสลายตัวของไฮโปคลอไรต์ไปเป็นก๊าซคลอรีน (Cl2) ผลลัพธ์ที่ได้คือเซลล์การกัดกร่อน-ที่คงอยู่ได้เอง ซึ่งจะตัดร่องเส้นรอบวงเข้าไปในเปลือกที่ระดับของเหลว ซึ่งโดยทั่วไปจะทะลุผนังได้อย่างสมบูรณ์ภายในไม่กี่สัปดาห์ การศึกษานี้วัดปริมาณอัตราการกัดกร่อนของร่องที่ขอบเขตสาม-เฟสในบริการ NaOCl และนำเสนอคำแนะนำในการออกแบบและการปฏิบัติงานเพื่อหลีกเลี่ยงโหมดความล้มเหลวนี้

เคมีไฟฟ้าของขอบเขต-เฟสสามเฟสในสารละลายไฮโปคลอไรต์
สารละลายโซเดียมไฮโปคลอไรต์มีความไม่เสถียรโดยธรรมชาติและสลายตัวตาม 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 และ 2NaOCl → 2NaCl + O2 ด้วยเช่นกัน การสลายตัวจะถูกเร่งให้เร็วขึ้นประมาณ 30-50oC ฟิล์มบางของสารละลายไฮโปคลอไรต์ที่ทำให้เปลือกเปียกเหนือระดับของเหลวจำนวนมากที่ขอบเขตสาม-เฟส (เปลือกอากาศ-เปลือกของเหลว) จะระเหยอย่างรวดเร็ว ทำให้ไฮโปคลอไรต์เข้มข้นจากคลอรีนที่เข้าถึงได้ปกติ 0.5–2.0% ไปจนถึงสูงถึง 10–15% ในฟิล์มระเหย ไฮโปคลอไรต์เข้มข้นจะสลายตัวเร็วขึ้นเพื่อให้เกิดก๊าซคลอรีน (Cl₂) ซึ่งมีฤทธิ์กัดกร่อนอย่างมากกับสเตนเลส 316 และมีสภาวะออกซิไดซ์อย่างเข้มข้นเฉพาะที่ สภาพแวดล้อม pH ต่ำ ในเวลาเดียวกัน วงจรการทำให้เปียกและแห้งทำให้ไม่สามารถสร้างฟิล์มพาสซีฟที่คงตัวได้ ในระหว่างส่วนที่แห้งของวงจร ฟิล์มแบบพาสซีฟใดๆ ที่ก่อตัวจะแห้งและแตก ในระหว่างขั้นตอนการเติมไฮโปคลอไรต์ใหม่จะโจมตีโลหะที่ถูกเปิดเผยก่อนที่จะเกิดสารเคลือบใหม่

การสร้างเซลล์เติมอากาศแบบดิฟเฟอเรนเชียลจะช่วยเร่งกลไกการเซาะร่อง พื้นที่ด้านล่างเส้นของเหลวคือออกซิเจน-หมดลง (เนื่องจากการสลายไฮโปคลอไรต์ต้องใช้ออกซิเจน) ในขณะที่ชั้นบางๆ ที่อยู่เหนือ-ขอบเขตเฟสสามเป็น-ออกซิเจนที่อุดมไปด้วยจากการสัมผัสกับอากาศ บริเวณที่มีออกซิเจนมากจะกลายเป็นแคโทดิก และโลหะที่อยู่ด้านล่างจะกลายเป็นขั้วบวก กระแสไฟฟ้าขั้วบวกจะถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นที่เส้นของเหลว และพัฒนาร่องที่ลึกและกว้างขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป

การหาปริมาณอัตราการกัดกร่อนของการเซาะร่องที่ขอบเขตสาม-เฟส
ตัวอย่างปลอกสแตนเลส 316 (ผนัง 1.5 มม., OD 12 มม., สารละลาย-อบอ่อน) ถูกแช่บางส่วนในสารละลายคลอรีน NaOCl ที่มีอยู่ 1.0% (เริ่มต้น pH 10.5) ที่ 40 องศาในการทดสอบแบบควบคุม โดยมีระดับของเหลวที่ความยาวปานกลาง- การทดสอบสลับระหว่างการให้ความร้อน (ปลอกที่ให้พลังงานจนถึงอุณหภูมิพื้นผิว 50 องศา) และการทดสอบรอบเดินเบา (ไม่มีการให้ความร้อน อาบน้ำที่อุณหภูมิ 40 องศา) ในรอบเปิด 6 ชั่วโมง/รอบนอก 6 ชั่วโมง ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ตัวอย่างจะถูกตรวจสอบความลึกของร่องที่ระดับของเหลวเดิม ประเมินความลึกของร่องโดยใช้การแบ่งส่วนและกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง

เวลาสัมผัส (ชั่วโมง) จำนวนรอบเปียก-รอบแห้ง (รอบละ 6 ชม.) ความลึกของร่องสูงสุด (μm) ความกว้างของร่อง (มม.) การลดความหนาของผนังที่ร่อง (จาก 1.5 มม.)
0 0 0 0 0% 100 8 (โดยประมาณ) 45 0.8 3% 200 17 110 1.2 7% 300 25 210 1.5 14% 400 33 380 2.0 25% 500 42 620 2.5 41% (ใกล้ทะลุ)
600 50 880 (มีรูพรุน) 3.0 59%
อัตราการเซาะร่องอยู่ที่ประมาณ 1.5-2.0 ไมโครเมตร/ชม. ซึ่งมีความสม่ำเสมอโดยประมาณหลังจากการฟักตัวครั้งแรกที่ 50-100 ชั่วโมง สำหรับผนัง 1.5 มม. ระยะเวลาในการเจาะทะลุคือ 600-800 ชั่วโมง (25-33 วัน) ภายใต้การหมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง ในการบริการภาคสนามที่มีการยืดเวลานอกวงจรและสภาวะที่แตกต่างกัน ความล้มเหลวมักเกิดขึ้นภายใน 200-500 ชั่วโมง (8-21 วัน)

เปรียบเทียบกับการแช่อย่างต่อเนื่องและปัจจัยอื่นๆ
ทำการทดสอบควบคุมเพื่อแยกผลกระทบขอบเขตสาม-เฟสภายใต้สถานการณ์ต่างๆ สถิติด้านล่างแสดงให้เห็นว่าไม่มีความเสียหายต่อสภาพขอบเขตสามเฟส เมื่อเปรียบเทียบกับการแช่อย่างต่อเนื่อง (ไม่มีการหมุนเวียนแบบเปียก-) และการสัมผัสแบบแห้งทั้งหมด

เงื่อนไขการทดสอบ ความเข้มข้นของ NaOCl (% ที่มี Cl 2) อุณหภูมิ ( องศา ) เวลาสัมผัส (ชั่วโมง) ความลึกการกัดกร่อนสูงสุด (μm) สภาพพื้นผิว
จุ่มจนสุด (ไม่มีส่วนต่อทางอากาศ) 1.0 40 500 25 มีรูพรุนเล็กน้อย สม่ำเสมอ
แช่จนมิด 1.0 50 (ปลอกให้ความร้อน) 500 45 เป็นรู ไม่มีการเซาะร่อง
ระดับของเหลวที่จุ่มไว้บางส่วนและคงที่ (ไม่มีการหมุนเวียน) 1.0 40 500 180 (ที่เส้นของเหลว) การเซาะร่อง มีความรุนแรงน้อยกว่า
การปั่นจักรยานแบบเปียก{0}}แบบแห้ง (เปิด/ปิดการให้ความร้อน) 1.0 40/50 500 620 การเซาะร่องลึก
จุ่มบางส่วน ควบคุม pH ไว้ที่ 9.5 (ในรูปของโซเดียมคาร์บอเนต) 1.0 40/50 500 85 การเซาะร่องเล็กน้อย
จุ่มไนโตรเจนบางส่วนลงไป ไล่ไนโตรเจนเหนือช่องไอ 1.0 40/50 500 110 ลดการเซาะร่อง
น้ำปราศจากไอออนที่แช่บางส่วน (ไม่มี NaOCl) 0 40/50 500 0 ไม่มีการกัดกร่อน
ปัจจัยสำคัญคือการมีอยู่ของไฮโปคลอไรต์ การมีอยู่-ส่วนต่อประสานกับไอของเหลว การหมุนเวียนแบบเปียก-แบบแห้ง และการเข้าถึงออกซิเจนเข้าสู่พื้นที่ไอ การกำจัดปัจจัยใดๆ เหล่านี้จะทำให้การเซาะร่องลดลงตามอัตราส่วน 3–7

ผลกระทบของสารเคมีต่ออัตราการเซาะร่อง
อัตราการเซาะร่องค่อนข้างไวต่อความเข้มข้นของคลอรีนที่มีอยู่ของสารละลายไฮโปคลอไรต์ ความเข้มข้นที่สูงขึ้นจะทำให้ไฮโปคลอไรต์สลายเร็วขึ้น การผลิตก๊าซคลอรีนเพิ่มขึ้น และความเข้มข้นของการระเหยที่รุนแรงยิ่งขึ้น การทดสอบที่อุณหภูมิคงที่ 40 องศา โดยมีวงจรแห้ง-เปียก 6- ชั่วโมง และการสัมผัสทั้งหมด 500 ชั่วโมง ส่งผลให้เกิดความสัมพันธ์ต่อไปนี้:

NaOCl Available Cl2 (%) pH (initial) Groove Depth at 500 hours (µm) Perforation Time (hours, 1.5 mm wall) Vapour Space Cl2 Odour Observed 0.1 10.0 45 >5000 (ไม่บรรลุผล)ไม่มี 0.5 10.3 180 2500 เล็กน้อย 1.0 10.5 620 600-800 รุนแรง 2.0 11.0 1050 (มีรูพรุน < 500 ชม.) 300-400 แข็งแกร่งมาก
1.0 พร้อมตัวกำจัดคลอรีน (ไทโอซัลเฟต 10 ppm) 10.5 85 2800 ไม่ใช่
เวลาในการเจาะที่คาดการณ์ไว้สำหรับการเซาะร่องในลูปฆ่าเชื้อโรคในน้ำดื่มทั่วไปที่มี NaOCl 0.5–1.5 % คือ 2–8 สัปดาห์สำหรับฝัก 316 อัน การมีอยู่ของไทโอซัลเฟตจะใช้คลอรีนอิสระอย่างมีประสิทธิภาพและหลีกเลี่ยงการเกิดร่อง แต่อาจลดประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อโรค

ตัวอย่างความล้มเหลวของสนามที่โรงบำบัดน้ำ
การตรวจสอบสถานบำบัดน้ำเสียของเทศบาล 23 แห่งที่ใช้เครื่องทำความร้อนหุ้มสแตนเลส 316 ในวงจรหมุนเวียน NaOCl (0.5–1.2% ของ Cl₂, 35–45 องศา การทำงานของปั๊มเป็นระยะๆ โดยมีรอบแบบเปียก-แบบแห้งทุกๆ 4–12 ชั่วโมง) แสดงให้เห็นรูปแบบความล้มเหลวดังต่อไปนี้:

รูปแบบการทำงานของโรงงาน เปียกโดยประมาณ-รอบแห้งต่อวัน กำหนดเวลาเจาะตามร่องที่กำหนด
โรงงาน A (1.2 % NaOCl)การหมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง ระดับคงที่ 0 (ไม่มีการหมุนเวียน) 8-12 เดือน (ไม่มีร่อง เฉพาะบ่อเท่านั้น)
โรงงาน B (1.0% NaOCl) เป็นระยะๆ, เปิด 6 ชั่วโมง / ปิด 6 ชั่วโมง, ระดับแตกต่างกันไป 2 18 d
โรงงาน C (0.8% NaOCl) เป็นช่วงๆ เปิด 8 ชั่วโมง / หยุด 16 ชั่วโมง ระดับผันผวน 1.5 25 วัน
โรงงาน D (0.5% NaOCl) เป็นระยะๆ, ปั๊มทุกๆ 4 ชั่วโมง, ระดับลดลงระหว่างรอบ 6 12 วัน
โรงงาน E (0.5% NaOCl, ระดับของเหลวควบคุมโดยวาล์วลูกลอย) การทำความร้อนเป็นระยะแต่ไม่มีการหมุนเวียนระดับ 0 (ไม่มีการเปลี่ยนแปลงระดับ) 6 เดือน (ไม่มีร่อง)
พืช A และ E แนะนำว่าการรักษาระดับของเหลวให้คงที่ (ไม่-การหมุนเวียนของพื้นผิวเปลือกแบบแห้ง{0}} มีความสำคัญมากกว่าการมีความเข้มข้นของไฮโปคลอไรต์สูงในการป้องกันการเซาะร่อง ความเข้มข้นไม่ส่งผลต่ออัตราความล้มเหลวของพืชที่มีระดับความผันผวนหรือการทำงานเป็นชุดซึ่งเครื่องทำความร้อนถูกเปิดเผยในระหว่างรอบการระบายน้ำ

การออกแบบและกลยุทธ์การดำเนินงานเพื่อป้องกันการกลึงร่องแบบสาม-เฟส
มีการใช้โซลูชันทางวิศวกรรมสามแบบเพื่อลดหรือลดการกลึงร่องสามเฟส{0}}อย่างมากในบริการ NaOCl วิธีที่แน่นอนที่สุดคือให้เครื่องทำความร้อนอยู่ใต้น้ำตลอดเวลา ออกแบบถังหรือห่วงโดยมีระดับของเหลวขั้นต่ำอยู่เหนือด้านบนของตัวทำความร้อน จัดเตรียมสวิตช์ตัดระดับต่ำที่จะ-จ่ายพลังงานให้กับฮีตเตอร์เมื่อระดับของเหลวลดลงต่ำกว่าด้านบนของปลอก

ประการที่สองคือการรักษาของเหลวให้อยู่ในระดับสม่ำเสมอโดยไม่ขึ้นกับการทำงานของปั๊มหรือเครื่องทำความร้อน เพื่อหลีกเลี่ยงการหมุนเวียนแบบเปียก-เมื่อมีของเหลวไม่เพียงพอที่จะจุ่มใต้น้ำทั้งหมด ฝายหรือวาล์วควบคุมระดับน้ำล้นระดับคงที่จะหยุดพื้นผิวของเหลวไม่ให้เคลื่อนที่ผ่านพื้นผิวเปลือก

แนวทางที่สามใช้สำหรับระบบเมื่อไม่สามารถป้องกันความผันแปรของระดับได้ การติดตั้งเครื่องทำความร้อนในแนวนอน ไม่ใช่แนวตั้ง เมื่อท่ออยู่ในแนวนอน ขอบเขตเฟสสาม-จะมีเพียงเส้นเดียวที่ด้านบนของท่อแทนที่จะเป็นวงกลมทั้งหมด นอกจากนี้ร่องที่เกิดขึ้นที่ด้านบนยังไปไม่ถึงขอบเขตแรงดันอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ สามารถสร้างท่อแนวนอนโดยให้องค์ประกอบความร้อนวางเยื้องศูนย์ไปทางด้านล่าง เพื่อไม่ให้ด้านบนของปลอกไม่ได้รับความร้อนโดยตรง ซึ่งเป็นการลดอุณหภูมิเฉพาะที่ขอบเขตสาม-เฟส

ทดแทนบริการไฮโปคลอไรต์
หากจำเป็นต้องใช้เหล็กสเตนเลส 316 แต่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงการสัมผัสแบบสามเฟสได้ การอัพเกรดวัสดุปลอกก็มีข้อดีอยู่บ้าง ไม่มีสแตนเลสทั่วไปที่สามารถทนทานต่อสภาวะไฮโปคลอไรต์สามเฟสได้อย่างแท้จริง

ความลึกของร่องของวัสดุเปลือกหุ้มที่ 500 ชั่วโมง, NaOCl 1%, 40 องศา , การปั่นจักรยานแบบแห้ง-แบบเปียก (um) ต้นทุนสัมพัทธ์ (เทียบกับ 316) ที่แนะนำ
สแตนเลส 316 620 1.0 ไม่ (ความล้มเหลวอย่างรวดเร็ว)
904L (UNS N08904) 280 2.5 เส้นเขตแดน
ล้อแม็ก 825 (UNS N08825) 120 4.0 ยอมรับได้ด้วยการควบคุมระดับ
ไทเทเนียมเกรด 2<10 2.2 Yes (very good)
ไทเทเนียมเกรด 7<5 2.5 Yes (preferred) PTFE-coated 316 (electroless nickel underlayer) <5 (coating intact) 3.0 Yes, but danger of coating deterioration
ไทเทเนียมเกรด 2 หรือเกรด 7 ทนทานต่อการโจมตีของไฮโปคลอไรต์ที่อุณหภูมิสูงถึง 70 องศา และเป็นแบบพาสซีฟแม้ภายใต้สถานการณ์สามเฟส ข้อมูลภาคสนามจากโรงงานแปรรูปอาหารซึ่งปลอก 316 ปลอกถูกแทนที่ด้วยไทเทเนียมเกรด 2 ในลูป NaOCl CIP 0.8% แสดงให้เห็นว่าไม่มีการเซาะร่องหรือเป็นรูหลังจากการทำงานเป็นระยะๆ 24 เดือน โดยที่ปลอก 316 ก่อนหน้านี้ล้มเหลวทุกๆ 3-4 สัปดาห์

ภาษาข้อกำหนดเครื่องทำความร้อนแบบลูปไฮโปคลอไรต์
ในการซื้อท่อทำความร้อนไฟฟ้าสำหรับบริการโซเดียมไฮโปคลอไรต์ที่มีความเป็นไปได้ที่จะเกิดวงจรแห้ง-แบบแห้งหรือความผันผวนของระดับ วิศวกรควรต้องใช้วัสดุเปลือกไทเทเนียมเกรด 2 หรือเกรด 7 เป็นอย่างน้อย ในกรณีที่ใช้สแตนเลส 316 ในระบบที่มีอยู่ จะต้องรวมข้อกำหนดการใช้งานต่อไปนี้: (ก) ระดับของเหลวจะต้องได้รับการดูแลเหนือองค์ประกอบความร้อนบนสุดตลอดเวลาโดยใช้ระบบควบคุมระดับ (b) ต้องมีสวิตช์คัตเอาต์ระดับต่ำ- โดยเชื่อมต่อเข้ากับคอนแทคเตอร์ของเครื่องทำความร้อนเพื่อ-จ่ายพลังงานให้กับเครื่องทำความร้อนหากระดับลดลงต่ำกว่าค่าต่ำสุดที่ปลอดภัย (ค) ระบบจะต้องได้รับการออกแบบสำหรับการทำงานต่อเนื่องในระดับคงที่ แทนที่จะใช้สำหรับการดำเนินการระบายแบบแบตช์-และ- (ง) เปลือกจะต้องได้รับการตรวจสอบที่ระดับของเหลวทุกเดือนสำหรับการเซาะร่องโดยการวัดความหนาอัลตราโซนิกหรือการตรวจสอบด้วยสายตาผ่านกระจกมอง สำหรับการติดตั้งใหม่ที่มีปริมาณไฮโปคลอไรท์มากกว่า 0.2% มี Cl 2 และอุณหภูมิสูงกว่า 35 องศา ให้ระบุวัสดุเปลือกไทเทเนียมเกรด 7 และการวางแนวเครื่องทำความร้อนในแนวนอน ขอบเขตสามเฟสในบริการไฮโปคลอไรต์นำเสนอสภาพแวดล้อมระดับไมโคร-เชิงรุกที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วแตกต่างจากการแช่เต็มรูปแบบหรือการสัมผัสเฟสไอ วิศวกรที่เข้าใจเรื่องนี้สามารถเลือกวัสดุและการออกแบบระบบที่เหมาะสม เพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวในการเซาะร่องอย่างรวดเร็วซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของการใช้งานนี้