Naatriumhüpokloriti (NaOCl) kasutatakse laialdaselt desinfitseerimiseks munitsipaalveepuhastuses, toiduainete töötlemise kanalisatsioonis ja farmaatsia CIP (puhas{0}}kohas{1}}süsteemides). Hüpokloriti retsirkulatsioonisilmustesse paigaldatakse sageli elektrilised küttetorud, et hoida lahuse temperatuur 30–50 kraadi juures optimaalse desinfitseerimise efektiivsuse tagamiseks. Mitmete veepuhastusjaamade väljatõrked näitavad aga, et 316 roostevabast terasest kestast tekivad 200–500 tunni jooksul katkendliku töötamise ajal õhu{7}}vedeliku-auru kolmefaasilisel piiril tugevalt lokaliseeritud ja tugevad sooned. Seda rünnakut ei täheldata pidevas sukeldumises ega täielikult kuivades tingimustes. Kolme -faasi piiril – kus ümbris väljub hüpokloriti lahusest ülalolevasse aururuumi – on ainulaadne tingimuste kombinatsioon: vahelduvad niisutus- ja kuivamistsüklid, hapnikuga kokkupuutel õhuga rikastamine, aurustumisest{15}}indutseeritud hüpokloriti ja kloriidi liikide kontsentratsioon ning hüpokloriti lagunemine (C) tekitab gaasilise hüpokloriti. Tulemuseks on iseeneslik-korrosioonirakk, mis lõikab vedeliku tasemel ümbrisesse ringikujulise soone, tungides sageli nädalate jooksul täielikult läbi seina. See artikkel kvantifitseerib soonte korrosioonikiiruse NaOCl-teenuse kolmefaasilisel piiril ning pakub disaini- ja tööstrateegiaid selle rikkerežiimi vältimiseks.
Hüpokloritilahuste kolme{0}faasilise piiri elektrokeemia
Naatriumhüpokloriti lahused on oma olemuselt ebastabiilsed, lagunedes vastavalt 3NaOCl → 2NaCl + NaClO3 ja ka 2NaOCl → 2NaCl + O₂ kaudu. 30–50 kraadi juures lagunemine kiireneb. Kolme-faasi piiril (õhk-vedel-kest) aurustub õhuke hüpokloritilahuse kile, mis niisutab kesta suuremahulise vedeliku taseme kohal, kiiresti, kontsentreerides hüpokloriti tüüpilisest 0,5–2,0% saadaolevast kloorist kuni 15% aurustumiskihini. Kontsentreeritud hüpokloriit laguneb kiiremini, tekitades kloorigaasi (Cl₂), mis on roostevaba terase 316 suhtes väga söövitav, ning tekitades lokaalselt tugevalt oksüdeeriva, madala pH-ga keskkonna. Samal ajal takistavad vahelduvad niisutus- ja kuivatustsüklid stabiilse passiivse kile teket. Tsükli kuiva osa ajal muutub mis tahes moodustunud passiivne kile dehüdratsiooniks ja praguneb; uuesti niisutamise perioodil ründab värske hüpoklorit paljastatud metalli enne uue kile moodustumist.
Soonestusmehhanismi kiirendab diferentsiaalaeratsioonielemendi moodustumine. Vedeliku piiri all olev ala on hapnikuvaeses- (hapnikku tarbiva hüpokloriti lagunemise tõttu), samas kui õhuke kile kolme-faasi piiril on hapniku-rikas kokkupuutel õhuga. Hapniku{5}}rikas piirkond muutub katoodseks, samas kui vahetult all olev metall muutub anoodseks. Anoodvool koondub vedelikuliinile, tekitades soone, mis aja jooksul süveneb ja laieneb.
Kvantifitseeritud soonte korrosioonimäärad kolme-faasi piiril
Kontrollitud testimine viidi läbi, kasutades 316 roostevabast terasest ümbriseproovi (1,5 mm sein, 12 mm OD, lahus - lõõmutatud), mis olid osaliselt sukeldatud 1,0% saadaolevasse kloori NaOCl lahusesse (pH algväärtus 10,5) 40 kraadi juures, kusjuures vedeliku taset hoiti keset -. Katse tsükkel toimus kuumutamise (kesta pinge all kuni 50-kraadise pinnatemperatuurini) ja tühikäigu (ilma kuumutamiseta, 40-kraadine vann) vahel 6-tunnise sisse- ja 6-tunnise väljalülitustsükliga. Proove uuriti teatud ajavahemike järel soone sügavuse osas esialgsel vedeliku tasemel. Soone sügavust mõõdeti lõikamise ja optilise mikroskoopia abil.
| Säriaeg (tundides) | Märg{0}}kuivtsüklite arv (igaüks 6 tundi) | Maksimaalne soone sügavus (µm) | Soone laius (mm) | Seina paksuse vähendamine soone juures (alates 1,5 mm) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0% |
| 100 | 8 (umbes) | 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% (perforatsiooni lähedal) |
| 600 | 50 | 880 (perforeeritud) | 3.0 | 59% |
Soonestuskiirus oli ligikaudu 1, 5–2, 0 µm kokkupuute tunnis, peaaegu konstantne pärast esialgset 50–100-tunnist inkubatsiooniperioodi. 1,5 mm seina puhul oli prognoositud aeg perforatsioonini 600–800 tundi (25–33 päeva) pideva tsükli korral. Pikemate töötsüklite ja muutuvate tingimustega väliteenistuses ilmnes rike tavaliselt 200–500 tunni (8–21 päeva) jooksul.
Võrdlus pideva keelekümbluse ja muude muutujatega
Kolme-faasi piiriefekti eraldamiseks viidi läbi kontrolltestid erinevatel tingimustel. Järgmised andmed näitavad, et pidev sukeldumine (ilma märg-kuiva tsüklita) ja täiesti kuiv kokkupuude tekitavad minimaalse kahju võrreldes kolme-faasi piirtingimustega.
| Katse seisukord | NaOCl kontsentratsioon (% saadaoleva Cl₂) | Temperatuur (kraad) | Säriaeg (tundides) | Maksimaalne korrosioonisügavus (µm) | Pinna seisukord |
|---|---|---|---|---|---|
| Täielikult sukeldatud (ilma liideseta) | 1.0 | 40 | 500 | 25 | Kerge aukudega, ühtlane |
| Täielikult sukeldatud | 1.0 | 50 (soojendusega ümbris) | 500 | 45 | Torud, ilma soonteta |
| Osaliselt sukeldatud, konstantne vedelikutase (jalgrattasõit puudub) | 1.0 | 40 | 500 | 180 (vedeliku joonel) | Sooniline, kuid vähem tugev |
| Osaliselt sukeldatud, märjal{0}}kuival jalgrattasõidul (soojendi sisse/välja lülitatud) | 1.0 | 40/50 | 500 | 620 | Sügav soonimine |
| Osaliselt sukeldatud, pH reguleeritud 9,5-ni (naatriumkarbonaadina) | 1.0 | 40/50 | 500 | 85 | Kerge soonega |
| Osaliselt sukeldatud, lämmastikuga läbi aururuumi | 1.0 | 40/50 | 500 | 110 | Vähendatud sooned |
| Osaliselt sukeldatud, deioniseeritud vesi (ilma NaOCl) | 0 | 40/50 | 500 | 0 | Pole korrosiooni |
Kriitilised tegurid on järgmised: hüpokloriti olemasolu, vedela-auru liidese olemasolu, märg-kuivtsükkel ja hapniku juurdepääs aururuumi. Nende tegurite kõrvaldamine vähendab soonte tekkimist 3–7 korda.
Keemilise kontsentratsiooni mõju soone kiirusele
Hüpokloritilahuse saadaolev kloori kontsentratsioon mõjutab tugevalt soonte kiirust. Kõrgemad kontsentratsioonid kiirendavad hüpokloriti lagunemist, toodavad rohkem kloori gaasi ja tekitavad agressiivsema aurustumiskontsentratsiooni. Katsed konstantse 40 kraadi juures 6-tunnise märgkuiva tsükli ja 500-tunnise kogu kokkupuutega näitasid järgmist seost:
| NaOCl Saadaval Cl₂ (%) | pH (esialgne) | Soone sügavus 500 tunni juures (µm) | Perforatsiooniaeg (tundi, 1,5 mm sein) | Täheldatud aururuum Cl₂ Lõhn |
|---|---|---|---|---|
| 0.1 | 10.0 | 45 | >5000 (ei saavutatud) | Mitte ühtegi |
| 0.5 | 10.3 | 180 | 2500 | Kerge |
| 1.0 | 10.5 | 620 | 600-800 | Tugev |
| 2.0 | 11.0 | 1050 (perforeeritud enne 500 tundi) | 300-400 | Väga tugev |
| 1,0 klooripüüduriga (tiosulfaat, 10 ppm) | 10.5 | 85 | 2800 | Mitte ühtegi |
Tüüpiliste 0,5–1,5% NaOCl-i kasutavate desinfitseerimissilmuste puhul on 316 ümbrise eeldatav soonte perforatsiooni aeg 2–8 nädalat. Tiosulfaadi lisamine kulutab tõhusalt vaba kloori ja takistab soonte tekkimist, kuid võib kahjustada desinfitseerimise efektiivsust.
Põldtõrgete näited veepuhastusjaamadest
Uuring 23 munitsipaalveepuhastusrajatise seas, milles kasutati 316 roostevabast terasest ümbrisega kütteseadet NaOCl retsirkulatsioonikontuurides (0,5–1,2% saadaval Cl₂, 35–45 kraadi, pumba vahelduv töö märg{6}}kuivtsüklitega iga 4–12 tunni järel), leiti järgmised rikkemustrid:
| Rajatised | Toimimismuster | Ligikaudne märg{0}}kuivtsüklite arv päevas | Mõõdetud soone perforatsiooni aeg |
|---|---|---|---|
| Taim A (1,2% NaOCl) | Pidev retsirkulatsioon, püsiv tase | 0 (rattaga sõitmata) | 8-12 kuud (ilma soonteta, ainult augud) |
| Taim B (1,0% NaOCl) | Katkendlik, 6 tundi sees / 6 tundi väljas, tase varieerub | 2 | 18 päeva |
| Taim C (0,8% NaOCl) | Katkendlik, 8 tundi sees / 16 tundi väljas, tase varieerub | 1.5 | 25 päeva |
| Taim D (0,5% NaOCl) | Katkendlik, pumpab iga 4 tunni järel, tase langeb tsüklite vahel | 6 | 12 päeva |
| Tehas E (0,5% NaOCl, vedeliku taset hoitakse konstantsena ujukklapiga) | Vahelduv soojenemine, kuid mitte tasasel rattasõidul | 0 (tase ei muutu) | 6 kuud (ilma soonteta) |
Tehas A ja tehas E näitavad, et konstantse vedelikutaseme säilitamine (mitte ümbrise pinna märja-kuiva tsüklita) on soonte tekkimise vältimiseks olulisem kui hüpokloriti kontsentratsioon. Tasemekõikumiste või partiitööga tehastes, kus kütteseade on tühjendustsüklite ajal avatud, tekkis kiire rike sõltumata kontsentratsioonist.
Disain ja tegevusstrateegiad kolmefaasilise{0}}vajamise vältimiseks
Kolm tehnilist strateegiat takistavad või vähendavad oluliselt NaOCl-teenuses kolmefaasilist{0}}vaotamist. Kõige usaldusväärsem on tagada, et kütteseade jääks kogu aeg täielikult vee alla. Kujundage paak või silmus nii, et minimaalne vedelikutase oleks kütteelemendi ülaosast kõrgemal, ja paigaldage madala-taseme väljalülituslüliti, mis lülitab kütteseadme pinge välja, kui vedeliku tase langeb alla ümbrise ülaosa.
Kui täielik sukeldamine ei ole võimalik, on teine strateegia märjal{0}}kuival tsüklil sõitmise välistamine, säilitades konstantse vedelikutaseme sõltumata pumba või kütteseadme tööst. Püsitaseme -ülevoolupais või taseme reguleerimisventiil takistab vedeliku pinna liikumist üle ümbrise pinna.
Kolmas strateegia kehtib süsteemide kohta, kus taseme kõikumist ei saa vältida. Paigaldage kütteseade horisontaalselt, mitte vertikaalselt. Horisontaalses asendis on kolme -faasi piir üks joon piki toru ülaosa, mitte kogu ümbermõõt, ja ülaosas tekkiv soon ei läbi rõhupiiri nii kiiresti. Lisaks saab horisontaalse toru, mille kütteelement asub ekstsentriliselt põhja poole, konstrueerida nii, et ümbrise ülaosa ei kuumutata otseselt, vähendades kohalikku temperatuuri kolme faasi piiril.
Hüpoklorititeenuse alternatiivsed materjalid
Kui tuleb kasutada roostevaba terast 316, kuid kolmefaasilist kokkupuudet ei saa välistada, on ümbrise materjali uuendamine teatud eeliseks, kuigi ükski tavaline roostevaba teras ei ole kolmefaasilise hüpokloriti seisundi suhtes tõeliselt vastupidav.
| Katte materjal | Soone sügavus 500 tunni pärast, 1% NaOCl, 40 kraadi, märg{3}}kuiv tsükkel (µm) | Suhteline kulu (vs 316) | Soovitatav |
|---|---|---|---|
| 316 roostevaba teras | 620 | 1.0 | Ei (kiire rike) |
| 904L (UNS N08904) | 280 | 2.5 | Marginaalne |
| Alloy 825 (UNS N08825) | 120 | 4.0 | Vastuvõetav koos tasemekontrolliga |
| Titaan klass 2 | <10 | 2.2 | Jah (suurepärane) |
| Titaani klass 7 | <5 | 2.5 | Jah (eelistatud) |
| PTFE{0}}kaetud 316 (elektrivaba nikli aluskiht) | <5 (coating intact) | 3.0 | Jah, kuid katte kahjustamise oht |
Titaani klass 2 või 7 on immuunne hüpokloriti rünnakule temperatuuril kuni 70 kraadi ja jääb passiivseks isegi kolmefaasilistes tingimustes. Toidutöötlemistehase väliandmed, mis asendasid 316 kesta 2. klassi titaaniga 0,8% NaOCl CIP-ahelas, ei näidanud pärast 24 kuud kestnud katkendlikku tööd, kus 316 kesta varem purunes iga 3–4 nädala järel.
Spetsifikatsioonikeel hüpokloritist ahelaga küttekehadele
Naatriumhüpokloriti teenuste jaoks elektriliste küttetorude hankimisel, mis võivad põhjustada märjal-kuival töötamisel või taseme kõikumist, peaksid insenerid määrama minimaalseks nõudeks 2. või 7. klassi titaankatte materjali. Kui olemasolevas süsteemis kasutatakse roostevaba terast 316, lisage järgmised töönõuded: hoidke vedeliku taset kogu aeg ülemise kütteelemendi kohal, kasutades taseme juhtimissüsteemi; paigaldage küttekeha kontaktoriga ühendatud madala-taseme väljalülituslüliti, et lülitada kütteseade pingest välja, kui tase langeb alla ohutu miinimumi; projekteerida süsteem pidevaks tööks konstantse tasemega, mitte partii tühjendus-ja-täitmistsüklite jaoks; ja kontrollige ümbrist vedeliku tasemel igakuiselt soonte suhtes, kasutades paksuse ultraheli mõõtmist või visuaalset kontrolli läbi vaateklaasi. Uute paigalduste puhul, kus hüpokloriti kontsentratsioon ületab 0,2% saadaoleva Cl₂ ja temperatuur ületab 35 kraadi, määrake titaanist 7. klassi ümbrise materjal ja küttekeha horisontaalne suund. Arvestades, et hüpoklorititeenuse kolmefaasiline piir loob ainulaadselt agressiivse mikrokeskkonna, mis erineb põhimõtteliselt kas täielikust sukeldumisest või aurufaasis kokkupuutest, saavad insenerid valida sobivad materjalid ja süsteemid, mis takistavad sellele rakendusele iseloomulikku kiiret soonetõrget.
