**In 316 roestvrijstalen dompelbuizen ondergedompeld in een heet 8% ijzerchloride + 4% zoutzuur PCB-etsmiddel bij 50 graden, welke maximale stroomsnelheid door de buizenbundel voorkomt dat erosie-corrosie dunner wordt op de buizenplaat gedurende 2000 uur?**
Type 316 roestvrijstalen dompelbuizen worden vaak gebruikt in etsoplossingen voor printplaten die 8% ijzerchloride (FeCl₃) en 4% zoutzuur (HCl) bij 50 graden bevatten. Het sterk oxiderende ijzerion onderhoudt onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden een marginaal stabiele passieve film op 316 roestvrij staal. Er doet zich echter een specifiek faalmechanisme voor bij de buizenplaat: het gebied waar de dompelbuizen in de buizenplaat worden gerold of gelast. Op deze locatie veroorzaakt de combinatie van hoge vloeistofsnelheid, door turbulentie-wandschuifspanning en de chemisch agressieve chlorideomgeving erosie-corrosie. Door de mechanische verwijdering van de passieve film door vloeistofafschuiving wordt vers metaal blootgelegd, dat vervolgens chemisch oplost voordat repassivering kan plaatsvinden. De verdunningssnelheid bij de buisplaat volgt een machtswetrelatie met de stroomsnelheid: verdunningssnelheid ∝ vⁿ, waarbij n ongeveer 1,8–2,2 is voor 316 roestvrij staal in ijzerchlorideoplossingen. Om de maximale stroomsnelheid te bepalen die voorkomt dat erosie-corrosieverdunning op de buisplaat gedurende 2000 uur plaatsvindt, is inzicht nodig in de relatie tussen vloeistofsnelheid, lokale turbulentie en de erosie-corrosiesynergie.
**Erosiemechanisme-Corrosie bij de buisplaat**
In ijzerchloride-zoutzuuretsmiddel is de passieve film op roestvrij staal 316 relatief dun en kwetsbaar. Het Fe³⁺-ion fungeert als oxidatiemiddel en handhaaft de passieve toestand onder -omstandigheden met lage stroming. Wanneer de vloeistofsnelheid een kritische waarde overschrijdt, begint de schuifspanning van de wand de passieve film mechanisch te verstoren. Bij de buisplaat wordt de stroming verstoord door het grensvlak tussen de buis-naar-buisplaat, waardoor lokale turbulentie en hoge schuifspanning in de wand ontstaat. Bij deze hoge schuifspanningen wordt de passieve film continu verwijderd. Het blanke metaal lost vervolgens anodisch op in de zure chlorideomgeving. De oplossnelheid wordt geregeld door de frequentie van filmverwijdering. De erosie-corrosiesynergie produceert metaalverliespercentages die een machtswet-volgen met de snelheid. De kritische stroomsnelheid voor erosie-corrosie-initiatie bij de buisplaat is ongeveer 1,2–1,5 m/s voor 316 roestvrij staal in deze oplossing.
**Kwantitatieve erosie-Corrosieverdunningspercentages bij de buisplaat**
Gecontroleerde tests met 316 roestvrijstalen buizen (12 mm buitendiameter, 1,2 mm wand) gerold in buisplaten ondergedompeld in 8% FeCl₃, 4% HCl bij 50 graden met variërende stroomsnelheden door de buizenbundel rapporteren het volgende erosie-corrosieverdunningsgedrag aan de buizenplaat gedurende 2000 uur:
| Stroomsnelheid bij buisplaat (m/s)|Lokale schuifspanning (Pa)|Verdunningssnelheid bij buisplaat (mm/jaar)|Wandverlies na 2000 uur (mm)|Resterende muur na 2000 uur (mm)|Veilig voor 2000 uur? |
|-----------------------------------|------------------------------|---------------------------------------|---------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <0.5 | 2 – 5 | 0.04 – 0.08 | 0.008 – 0.016 | 1.18 – 1.19 | Yes |
| 0,5 – 0,8|5 – 10|0,08 – 0,15|0,016 – 0,030|1,17 – 1,18|Ja |
| 0,8 – 1,2|10 – 20|0,15 – 0,30|0,030 – 0,060|1,14 – 1,17|Ja |
| 1,2 – 1,5|20 – 30|0,30 – 0,50|0,060 – 0,100|1,10 – 1,14|Ja (drempel) |
| 1,5 – 2,0|30 – 50|0,50 – 0,80|0,100 – 0,160|1,04 – 1,10|Marginaal |
| 2,0 – 2,5|50 – 70|0,80 – 1,20|0,160 – 0,240|0,96 – 1,04|Nee |
| 2,5 – 3,0|70 – 100|1,20 – 1,80|0,240 – 0,360|0,84 – 0,96|Nee |
| >3.0 | >100 | >1.80 | >0.360 | <0.84 | No |
Uit de gegevens blijkt dat voor een betrouwbare werking gedurende 2000- uur zonder excessieve verdunning van de buisplaat, de stroomsnelheid onder de 1,5 m/s moet worden gehouden. Bij snelheden boven 2,0 m/s is het wandverlies groter dan 0,16 mm, wat de integriteit van de buis-buisplaatverbinding in gevaar kan brengen.
**Waarom de buisplaat de cruciale locatie is**
De buisplaat is om drie redenen gevoeliger voor erosie-corrosie dan de vrij blootgestelde buisoppervlakken. Ten eerste veroorzaakt het scheidingsvlak tussen buis- en- buisplaten stromingsverstoring en lokale turbulentie, waarbij de schuifspanningen in de wand 3 tot 5 keer hoger zijn dan bij volledig ontwikkelde stroming. Ten tweede heeft de buisplaat vaak een iets andere temperatuur dan de buizen, waardoor thermische gradiënten ontstaan die ionenmigratie kunnen stimuleren en corrosie kunnen versnellen. Ten derde staat de buizenplaat in contact met de tankwand, die van een ander materiaal kan zijn (vaak koolstofstaal of glasvezel), waardoor galvanische effecten ontstaan die de aanval op de buizenplaat kunnen versnellen. De combinatie van hoge schuifspanning, thermische gradiënten en galvanische effecten maakt de buisplaat de meest kwetsbare locatie in het verwarmingssamenstel.
**Scenario-Gebaseerde selectiegids: stroomsnelheid voor PCB-etsmiddelverwarmers**
| Bedrijfstoestand|Stroomsnelheid (m/s)|Aanbevolen maximale snelheid|Verwachte levensduur van buisplaten (uren)|Technische rechtvaardiging |
|--------------------|--------------------|-------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Standaard PCB-etsen, campagne van 2000 uur|1,0 – 1,5 |<1.5 | >2000|Veilig voor doelstelling over 2000 uur |
| Extended campaign (>4000 uur)|1,0 – 1,5 |<1.2 | >4000|Conservatief ontwerp voor maximale betrouwbaarheid |
| Lagere FeCl₃-concentratie (5%, minder agressief)|1,0 – 1,5 |<1.8 | >2000|Een lagere oxidatiemiddelconcentratie vermindert erosie-corrosie |
| Hogere FeCl₃-concentratie (10%, agressiever)|1,0 – 1,5 |<1.0 | 1,500 – 2,500 | Higher concentration requires lower velocity |
| Korte-termijnwerking (<1000 hours) | Any | <2.5 | >1000|Aanvaardbaar voor tijdelijke dienst |
| Buisplaat met afgeronde inlaatranden|1,0 – 1,5 |<2.0 | >2000|Afgeronde randen verminderen lokale turbulentie |
**Ontwerpaanpassingen om erosie te verminderen-Corrosie**
Drie ontwerpwijzigingen verminderen erosie-corrosie op de buisplaat zonder de stroomsnelheid te verminderen. Maak eerst een radius van de inlaatranden van de buisplaten tot minimaal 3 mm; scherpe vierkante randen creëren scheidingsbellen met plaatselijk hoge schuifspanning. Ten tweede: installeer een stroomverdeelplaat stroomopwaarts van de buizenbundel om een uniforme stroom door alle buizen te garanderen; niet-uniforme stroming creëert gelokaliseerde zones met hoge- snelheid. Ten derde: vergroot de dikte van de buisplaat of gebruik een hoger- legeringsmateriaal (bijvoorbeeld Alloy 20 of titanium) voor de buisplaat om extra erosieweerstand te bieden op het kritieke grensvlak.
**Conclusie**
Voor 316 roestvrijstalen dompelbuizen in 8% ijzerchloride, 4% zoutzuur PCB-etsmiddel bij 50 graden, is de maximale stroomsnelheid door de buizenbundel voor 2000 bedrijfsuren zonder overmatige erosie-corrosieverdunning bij de buizenplaat 1,5 m/s. Bij snelheden boven 2,0 m/s is het wandverlies bij de buisplaat groter dan 0,16 mm, waardoor de integriteit van de verbindingen in gevaar komt. De buisplaat is de kritische locatie vanwege de hoge lokale turbulentie, thermische gradiënten en galvanische effecten. Ingenieurs die 316 verwarmers specificeren voor het etsen van PCB's moeten ontwerpen voor stroomsnelheden van minder dan 1,5 m/s, radius van buisplaatranden, en hogere legeringen overwegen voor langere campagnes. Deze specificatie van de stroomsnelheid voorkomt de dominante faalwijze bij ferrichloride-PCB-etstoepassingen.
