Trong các hệ thống sưởi ấm công nghiệp hoạt động trong môi trường có tính ăn mòn hóa học, ion clorua là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu. Ống gia nhiệt bằng thép không gỉ chống ăn mòn{1}}được sản xuất từ thép không gỉ 316 được ứng dụng rộng rãi trong xử lý hóa chất, bể mạ điện, làm nóng nước biển, xử lý nước thải và hệ thống gia nhiệt dung dịch axit. Tuy nhiên, hiệu suất lâu dài-của các ống gia nhiệt này bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi nồng độ clorua, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ cao.
Hiểu được nồng độ clorua ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ sử dụng đòi hỏi phải kiểm tra các cơ chế điện hóa, độ ổn định thụ động của màng, hành vi ăn mòn cục bộ và sự tương tác giữa nhiệt độ và hoạt động của ion.
Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ 316 chủ yếu là do hàm lượng crom của nó tạo thành lớp thụ động oxit crom ổn định trên bề mặt. Việc bổ sung molypden, thường từ 2% đến 3%, giúp tăng cường đáng kể khả năng chống ăn mòn rỗ so với thép không gỉ 304. Molypden cải thiện độ ổn định của màng thụ động và tăng nhiệt độ rỗ tới hạn trong môi trường chứa clorua. Tuy nhiên, ngay cả khi được tăng cường molypden, thép không gỉ 316 vẫn dễ bị tổn thương khi nồng độ clorua vượt quá ngưỡng nhất định.
Các ion clorua đặc biệt hung hãn vì chúng có thể xâm nhập và phá vỡ cục bộ màng oxit thụ động. Một khi lớp thụ động bị phá vỡ, sự hòa tan anốt cục bộ có thể xảy ra, bắt đầu ăn mòn rỗ. Không giống như ăn mòn đồng đều, diễn ra tương đối dễ đoán, ăn mòn rỗ có tính cục bộ cao và có thể xuyên qua độ dày thành mà không gây tổn thất vật liệu tổng thể đáng kể. Đối với các ống sưởi điện, sự tấn công cục bộ như vậy gây ra rủi ro nghiêm trọng, vì sự xâm nhập của vỏ bọc có thể dẫn đến ô nhiễm lớp cách điện oxit magiê và hỏng hóc về điện.
Mối quan hệ giữa nồng độ clorua và tuổi thọ sử dụng không phải là tuyến tính. Ở mức clorua thấp, thường dưới 50 ppm trong môi trường nước trung tính, thép không gỉ 316 thường thể hiện khả năng chống chịu tuyệt vời, ngay cả ở nhiệt độ cao vừa phải. Khi nồng độ clorua tăng lên đến vài trăm phần triệu, xác suất bắt đầu rỗ tăng lên đáng kể, đặc biệt khi nhiệt độ vượt quá 60°C. Ở nồng độ trên 1.000 ppm, đặc biệt là trong điều kiện axit, nguy cơ ăn mòn rỗ và kẽ hở nhanh chóng trở nên đáng kể.
Nhiệt độ khuếch đại tác động của các ion clorua. Động học ăn mòn tăng tốc khi nhiệt độ tăng và nhiệt độ rỗ tới hạn giảm khi nồng độ clorua tăng. Ví dụ, ở nhiệt độ phòng, thép không gỉ 316 có thể chống rỗ trong môi trường clorua vừa phải. Tuy nhiên, ở nhiệt độ 80°C hoặc cao hơn, ngay cả nồng độ clorua ổn định trước đó cũng có thể gây ra sự phá vỡ màng thụ động. Trong các ứng dụng gia nhiệt, nhiệt độ bề mặt ống có thể vượt quá nhiệt độ chất lỏng do dòng nhiệt, làm tăng thêm nguy cơ ăn mòn cục bộ.
Điều kiện dòng chảy cũng ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng. Trong các hệ thống dòng chảy- ứ đọng hoặc thấp, các ion clorua có thể tập trung trong các kẽ hở hoặc dưới lớp cặn, tạo ra môi trường-vi mô có nồng độ clorua hiệu quả cao hơn đáng kể so với dung dịch khối. Các tế bào tập trung cục bộ này làm tăng tính nhạy cảm với sự ăn mòn kẽ hở. Các ống sưởi được lắp đặt trong hệ thống bể chứa không đủ tuần hoàn đặc biệt dễ bị hiện tượng này.
Điều kiện axit càng làm trầm trọng thêm sự thoái hóa do clorua gây ra. Trong các dung dịch có độ pH thấp, màng thụ động trở nên kém ổn định hơn và sự phân hủy màng-được hỗ trợ clorua xảy ra dễ dàng hơn. Sự hiện diện kết hợp của độ pH thấp và nồng độ clorua cao thể hiện một trong những điều kiện sử dụng khắc nghiệt nhất đối với ống gia nhiệt bằng thép không gỉ 316.
Căng thẳng là một yếu tố góp phần khác. Ứng suất dư từ quá trình chế tạo hoặc hàn có thể làm tăng khả năng bị nứt do ăn mòn ứng suất clorua, đặc biệt ở nhiệt độ cao trên khoảng 60°C. Mặc dù thép không gỉ 316 thể hiện khả năng chống chịu được cải thiện so với các loại hợp kim-thấp hơn nhưng nó không tránh khỏi áp lực khắc nghiệt và điều kiện-clorua cao.
Từ góc độ tuổi thọ sử dụng, có thể xem xét ba vùng vận hành chung. Trong môi trường-clorua thấp với nhiệt độ được kiểm soát, tuổi thọ sử dụng có thể kéo dài nhiều năm với mức độ xuống cấp tối thiểu. Trong môi trường clorua vừa phải với nhiệt độ cao, việc kiểm tra định kỳ và thiết kế độ dày thành thận trọng trở nên cần thiết để quản lý rủi ro rỗ. Trong các hệ thống-clorua cao và nhiệt độ-cao, đặc biệt là các hệ thống có nồng độ clorua vượt quá 1.000 ppm, có thể cần phải nâng cấp vật liệu lên thép không gỉ hợp kim-cao hơn, cấp độ song công hoặc titan để đạt được độ tin cậy chấp nhận được.
Các chiến lược giảm thiểu kỹ thuật bao gồm giảm nhiệt độ vận hành khi có thể, cải thiện sự tuần hoàn của dung dịch để ngăn chặn các vùng ứ đọng, thực hiện vệ sinh định kỳ để loại bỏ cặn và thực hiện xử lý thụ động bề mặt sau khi chế tạo. Ngoài ra, việc xác định quy trình hàn thích hợp và các biện pháp xử lý giảm ứng suất có thể giảm thiểu khả năng bị nứt do ăn mòn do ứng suất.
Cuối cùng, nồng độ clorua đóng vai trò quyết định trong việc xác định tuổi thọ sử dụng của ống gia nhiệt bằng thép không gỉ chống ăn mòn 316-. Mặc dù hợp kim mang lại khả năng chống chịu nâng cao nhờ hàm lượng molypden, nhưng độ ổn định lâu dài-của nó phụ thuộc vào việc duy trì mức clorua trong phạm vi có thể quản lý được, kiểm soát nhiệt độ, giảm thiểu ứng suất dư và tối ưu hóa thiết kế hệ thống. Việc đánh giá toàn diện về thành phần hóa học, điều kiện nhiệt và các yếu tố cơ học là cần thiết để đảm bảo hiệu suất bền bỉ và có thể dự đoán được trong các ứng dụng sưởi ấm công nghiệp có chứa clorua.
