کس فلوڈ پی ایچ اور درجہ حرارت کے امتزاج کے تحت 316 سٹینلیس سٹیل شیتھ ڈوبے ہوئے ہیٹر میں سلفیورک ایسڈ سلوشنز میں غیر فعال سے فعال سنکنرن کی طرف منتقلی کرتا ہے

پی ایچ-غیر فعال فلم کے ناقابل واپسی بریک ڈاؤن کا درجہ حرارت کا ڈومین

سلفیورک ایسڈ (H2SO4) محلول میں 316 سٹینلیس سٹیل لپیٹے ہوئے الیکٹرک ہیٹنگ ٹیوبوں کا سنکنرن رویہ صرف تیزاب کے ارتکاز یا pH کا سیدھا کام نہیں ہے۔ اس کے بجائے، اس کی ایک اچھی طرح سے متعین حد ہے جہاں حفاظتی کرومیم آکسائیڈ کوٹنگ مستحکم غیر فعال ہونے سے فعال تحلیل میں فوری اور یکساں دھاتی نقصان کے ساتھ تبدیل ہو جاتی ہے۔ یہ منتقلی حل کے درجہ حرارت اور پی ایچ (یا زیادہ درست طور پر مفت سلفیورک ایسڈ کے ارتکاز) پر بہت منحصر ہے۔ حد سے نیچے (عام طور پر pH > 1.5 25 ڈگری پر، 80 ڈگری پر pH > 2.5 تک بڑھنا)، 316 غیر فعال رویے کو ظاہر کرتا ہے جس میں سنکنرن کی شرح 0.1 ملی میٹر فی سال سے کم ہے۔ حد سے اوپر (زیادہ سنکنرن حالات یا زیادہ درجہ حرارت) غیر فعال فلم مقامی طور پر گھل جاتی ہے اور سنکنرن کی شرح 1-10 ملی میٹر فی سال تک بڑھ جاتی ہے، مہینوں یا ہفتوں کے اندر 1.5 ملی میٹر میان کی دیوار کو سوراخ کرتی ہے۔ یہ کاغذ سلفیورک ایسڈ سروس میں 316 میانوں کے لیے غیر فعال-سے-مقتول کی حدوں کا حساب لگاتا ہے، تیزابیت والے ماحول میں ہیٹر کی تفصیلات کے لیے فیصلہ سازی کا فریم ورک فراہم کرتا ہے اور قابل اعتماد طویل مدتی کارکردگی کے لیے محفوظ آپریٹنگ ونڈوز کی وضاحت کرتا ہے۔

سلفیورک ایسڈ میں غیر فعالی کی خرابی کا الیکٹرو کیمیکل میکانزم

سلفرک ایسڈ میں 316 سٹینلیس سٹیل پر غیر فعال فلم ایک کرومیم-افزودہ آکسائڈ فلم ہے (زیادہ تر Cr2O3 جس میں آئرن اور مولیبڈینم کے کچھ آکسائیڈ ہوتے ہیں)۔ یہ کافی آکسیڈائزنگ پاور کے ساتھ محلول میں کھلے سرکٹ میں بے ساختہ بنتا ہے۔ پتلا سلفیورک ایسڈ (pH> تقریباً 2.0) میں تحلیل شدہ آکسیجن کیتھوڈک ری ایکشن (آکسیجن کی کمی) فراہم کرتی ہے جو غیر فعال رینج میں صلاحیت کو برقرار رکھتی ہے۔ فلم عام طور پر 2-5 nm موٹی ہوتی ہے اور اس کا استحکام فلم کے تحلیل (کم پی ایچ اور اعلی درجہ حرارت کی طرف سے پسند کیا جاتا ہے) اور فلم کی دوبارہ منتقلی (تحلیل آکسیجن یا دیگر آکسیڈائزرز کی موجودگی سے پسند کیا جاتا ہے) کے درمیان توازن پر منحصر ہوتا ہے۔ اگر پی ایچ کو کسی خاص قدر سے کم کیا جاتا ہے یا درجہ حرارت بڑھایا جاتا ہے، تو کرومیم آکسائیڈ کی تحلیل کی شرح تیزی سے بڑھ جاتی ہے، کیونکہ تیزابی محلول میں Cr 3+ پرجاتیوں کی حل پذیری نمایاں طور پر بڑھ جاتی ہے۔ اگر پگھلنے کی شرح repassivation کی شرح سے زیادہ ہے تو، تہہ کو مقامی طور پر پتلا کر دیا جاتا ہے اور ننگی دھات کو بے نقاب کیا جاتا ہے جو تیزی سے گھل جاتی ہے (فعال سنکنرن)۔ مولبڈینم کا ارتکاز (2.0-2.5%) غیر فعال استحکام کے لیے ضروری ہے جو تیزابیت کو کم کرنے میں غیر فعال استحکام کے لیے ضروری ہے جیسے کہ 316 کے لیے سلفرک۔ لیکن مولیبڈینم کے ساتھ بھی ایک الگ پی ایچ درجہ حرارت کی رکاوٹ ہے. 316 دہلیز کے نیچے ایک غیر فعال سنکنرن مزاحم مرکب ہے۔ رکاوٹ کے اوپر یہ عام کاربن اسٹیل کی طرح برتاؤ کرتا ہے۔

سلفیورک ایسڈ میں 316 کے لیے غیر فعال-سے-فعال منتقلی حدود کی مقدار

Passive to active transition of 316 stainless steel in sulphuric acid has been established over the temperature range 25-100 °C by systematic corrosion testing employing weight loss measurements and electrochemical potentiodynamic polarisation. 316 is passive up to ~10 wt% H2SO4 (pH ~0.5) at 25 °C. At 50 °C the passive limit is reduced to 5 wt% H₂SO₄ (pH about 0.8). At 80 °C the limit is reduced to 1 wt% H2SO4 (pH ~1.2). The limit at 100 °C (boiling dilute acid) is around 0.5 wt % H2SO4 (pH about 1.5). Below these concentrations corrosion rates are less than 0.1 mm/year. Corrosion rates are very high above these concentrations, reaching >2 ملی میٹر/سال 5 wt% H2SO4 میں 80 ڈگری پر اور 1.5 ملی میٹر دیوار میں سوراخ<9 months. In high concentration sulphuric acid (over 90 wt%) 316 does indeed become passive again due to the production of a new layer. But such concentrations are rarely found in immersion heating applications. The most hostile situation for 316 is the intermediate concentration range (0.5-15 wt% depending on temperature) when the passive film is unstable. The detailed corrosion rates for 316 sheaths in sulphuric acid are shown in the table below as a function of concentration, temperature and time to perforation.

Concentration H2SO4 (wt%)Estimated pH Solution Temperature (°C) Corrosion Rate (mm/yr)Time to Perforation (1.5mm wall) Recommended for Continuous Service 0.1 1.5 25 0.02 >75 years Yes 0.1 1.5 80 0.05 >30 years Yes 0.1 1.5 100 0.15 10 years Marginal (monitor) 0.5 1.2 25 0.03 >50 years Yes 0.5 1.2 80 0.20 7-8 years Marginal, upgrade to 316L or Alloy 20 0.5 1.2 100 0.80 1.5-2 years Not recommended 1.0 1.0 25 0.05 >30 سال ہاں 1.0 1.0 60 0.30 5 سال معائنہ کے ساتھ قابل قبول
1.0 1.0 80 2.0 9 MonthsNot recommended 2.0 0.8 25 0.15 10 سال کبھی کبھار استعمال کے لیے قابل قبول
2.0 0.8 50 1.0 1.5 سال تجویز کردہ نہیں 5.0 0.5 25 0.50 3 سال معمولی (اپ گریڈ)
5.0 0.5 50 4.0 4-5 مہینے قابل قبول نہیں۔
10.0 0.2 25 1.5 1 سال 316 کے لیے مناسب نہیں ہے جب تک کہ سردی اور وقفے وقفے سے نہ ہو۔
15.0 0.0 25 3.0 6 مہینے ناقابل قبول
آکسیڈائزنگ ایجنٹوں کے ذریعہ غیر فعال رینج کی توسیع

مندرجہ بالا غیر فعال-فعال حدیں ہوا سے چلنے والے محلول (یعنی محلول میں تحلیل آکسیجن) پر لاگو ہوتی ہیں۔ ڈیئریٹڈ یا کم کرنے والے حالات میں (مثلاً سلفیورک ایسڈ آکسیجن سے پاک اور سنکنرن سے موجود ہائیڈروجن کے ساتھ) کیتھوڈک ری ایکشن (آکسیجن میں کمی) کی محدودیت کی وجہ سے غیر فعال رینج کافی حد تک تنگ ہوجاتی ہے تاہم، آکسیڈائزنگ کیمیکلز، جیسے نائٹرک ایسڈ، فیرک (Fe3 +) یا کپرک (Cu2 +) آئنوں کا اضافہ، غیر فعال رینج کو زیادہ ارتکاز اور اعلی درجہ حرارت تک پھیلاتا ہے۔ سلفرک ایسڈ میں 1000 پی پی ایم Fe3+ 316 80 ڈگری پر 10 wt% تک غیر فعال رہتا ہے - دس گنا بہتری۔ ہیٹر ایپلی کیشنز میں جہاں پراسیس سلوشن میں آکسیڈائزنگ پرجاتیوں کو ایک موروثی جزو کے طور پر شامل کیا جاتا ہے (مثال کے طور پر، فیرک سلفیٹ پر مشتمل اچار کے غسل، یا دھات کی فنشنگ سے تیزاب کا اخراج)، 316 ایسے حالات میں بھی موزوں ہو سکتا ہے جو خالص ایسڈ میں فعال سنکنرن کا باعث بنیں۔ آکسیڈائزرز کے وجود پر منحصر ہونے کے ساتھ مسئلہ یہ ہے کہ عمل میں خلل ان کے ارتکاز کو کم کر سکتا ہے اور سنکنرن کی اچانک سرعت کا باعث بن سکتا ہے۔ پچھلے جدول میں غیر فعال-فعال حدود کو غیر مبہم طور پر انتہائی خراب-کیس (کم از کم آکسیڈائزنگ پوٹینشل) کے تحت مطمئن کیا جانا چاہیے تاکہ انجینئرز کو سلفیورک ایسڈ سروس کے لیے 316 کا تعین کریں۔

چلانے والے ہیٹر میں فعال سنکنرن کا اصل پتہ لگانا

تین فیلڈ انڈیکیٹرز ظاہر کرتے ہیں کہ غیر فعال-ایکٹو باؤنڈری کے قریب سلفیورک ایسڈ محلول میں کام کرنے والی 316 میانوں کے لیے فعال سنکنرن شروع ہو گیا ہے۔ سب سے پہلے محلول کی رنگین تبدیلی ہے: 316 کی بھرپور تحلیل سبز Fe 2+ اور Ni 2+ آئن بناتی ہے، جو عام طور پر بے رنگ یا قدرے پیلے رنگ کے تیزاب کو ہلکے سبز یا نیلے-سبز رنگ میں تبدیل کرتی ہے۔ دوسرا ہائیڈروجن گیس کا ارتقاء ہے۔ تیزاب میں سٹینلیس سٹیل کا فعال سنکنرن میان کی سطح پر ہائیڈروجن کے بلبلوں کی پیداوار کے ساتھ ہوتا ہے، جسے ہیٹر سے اٹھنے والے باریک بلبلوں کی ندی کے طور پر دیکھا جا سکتا ہے۔ غیر فعال حالت میں، کوئی ہائیڈروجن ارتقاء نہیں ہے، کیونکہ کیتھوڈک عمل آکسیجن کی کمی ہے. تیسری علامت اسی پاور ان پٹ کے لیے ہیٹر شیتھ کے درجہ حرارت میں تیزی سے کمی ہے۔ اندرونی حرارتی تار کی برقی مزاحمت ایک جیسی رہتی ہے۔ میان کی دیوار پتلی ہوتی جارہی ہے اور اس میں تھرمل مزاحمت کم ہے۔ اگر بجلی کی کثافت مستقل ہے تو باہر کی سطح کا درجہ حرارت کم ہو جائے گا۔ 1-2 مہینوں کے دوران سطح کے درجہ حرارت میں 5-10 ڈگری کی پیمائش کی گئی کمی سے دیوار کی کافی پتلی ہونے کا ثبوت ملتا ہے۔ اگر ہیٹر کو معائنہ کے لیے ہٹایا جا سکتا ہے، تو مقداری نگرانی کے لیے الٹراسونک موٹائی گیج کے ساتھ وقت کے ساتھ ساتھ دیوار کے نقصان کی پیروی کی جا سکتی ہے۔ اگر سنکنرن کی شرح ہر سال 0.3 ملی میٹر سے زیادہ ہو تو متبادل کے لیے تیاری شروع کریں۔

متبادل مرکب جب 316 غیر فعال حد سے آگے بڑھ جاتا ہے۔

For the sheathed heater, if the necessary sulphuric acid concentration and temperature are outside the passive range for 316, various more resistant alloys are available. Alloy 20 (Carpenter 20) comprises 32-38 % Ni, 19-21 % Cr and 2-3 % Mo plus copper and provides excellent resistance to dilute sulphuric acid up to 10-15 wt% at boiling. Similar performance with a little less nickel is Incoloy 825 (Alloy 825). Alloy C-276 (Hastelloy C-276) or Alloy B-3 (Hastelloy B-3) are required for larger concentrations (15-50 wt% at moderate temperatures), but are considerably more expensive. For very dilute acid (less than 1 wt%, pH>1.0) 80 ڈگری تک مناسب زندگی (5-10 سال) کم کاربن اور مناسب سطح پالش کے ساتھ 316L فراہم کرتا ہے۔ کسی بھی ایپلی کیشن میں جہاں درجہ حرارت اور ارتکاز کا امتزاج فعال علاقے کے قریب ہو، سنکنرن کا خطرہ ایک ہیٹر کو تبدیل کرنے کے قابل میان کے ساتھ یا بیرونی حرارت کے ساتھ لائن والے برتن کا انتخاب کرکے، ہیٹر کو تیزاب کے ساتھ براہ راست رابطے سے ختم کر کے مکمل طور پر ختم کر دیا جاتا ہے۔

نتیجہ: سلفیورک ایسڈ سروسز میں 316 کے لیے محفوظ آپریٹنگ حدود

316 سٹینلیس سٹیل کے انکیسڈ وسرجن ہیٹر کے غیر فعال سنکنرن کی شرح 0.02-0.2 ملی میٹر فی سال ہے، لیکن سلفیورک ایسڈ محلول میں فعال تیزی سے تحلیل کی شرح 1-10 ​​ملی میٹر فی سال ہے۔ غیر فعال سنکنرن سے فعال تیزی سے تحلیل کی طرف منتقلی کے لیے پی ایچ درجہ حرارت کی حد بڑی حد تک تیزاب کے ارتکاز پر منحصر ہے. 316 محیطی درجہ حرارت پر 10 wt% H2SO4 تک برداشت کر سکتی ہے۔ 80 C پر قابل قبول حد 0.5-1 wt% تک کم ہو جاتی ہے۔ یہاں تک کہ 0.5 wt% پر سنکنرن کی شرح 100 ڈگری پر معمولی ہے۔ جب انجینئرز تیزابی آپریشن کے لیے 316 شیتھڈ ہیٹر کی وضاحت کرتے ہیں، تو انہیں اصل عمل تیزاب کی حراستی اور زیادہ سے زیادہ آپریٹنگ درجہ حرارت کا تعین کرنا چاہیے، پھر ان اقدار کا اوپر والے جدول کی مقداری حدود سے موازنہ کریں۔ اگر یہ امتزاج معمولی یا ناقابل قبول حد کے اندر آتا ہے تو پھر یا تو ہیٹر کو کم درجہ حرارت (بجلی کی کثافت کو کم کر کے)، معیار کو زیادہ سنکنرن مزاحم مرکب میں اپ گریڈ کیا جانا چاہیے، یا حرارتی تکنیک کو بالواسطہ یا بیرونی حرارت میں تبدیل کیا جانا چاہیے۔ غیر فعال-فعال منتقلی کو مقداری کیمیکل اور تھرمل خصوصیات کے ساتھ جوڑ کر، یہاں تجویز کردہ طریقہ کار خریداروں کو سلفیورک ایسڈ کی ترتیبات میں 316 میانوں کی سروس لائف کا اندازہ لگانے کے قابل بناتا ہے اور اس تیزی سے جارحانہ سنکنرن سے بچتا ہے جو غیر فعال فلم کے ناکام ہونے کے بعد ہوتا ہے۔