การเลือกใช้วัสดุสแตนเลสสำหรับอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม

ความท้าทายส่วนใหญ่ที่ต้องเผชิญกับการใช้เหล็กกล้าไร้สนิมในอุตสาหกรรมนมและอาหารแปรรูปอื่นๆ นั้นเกี่ยวข้องกับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและน้ำผิวดินตามธรรมชาติ เช่น น้ำจากบ่อ เช่นเดียวกับโรงเบียร์ อุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับอาหารส่วนใหญ่มักใช้ตัวกลางร้อนที่ได้รับความร้อนด้วยไอน้ำหรือทำให้เย็นด้วยน้ำ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการพาสเจอร์ไรซ์และการฆ่าเชื้อ และมักจะประสบปัญหาต่างๆ เช่น รอยแตกจากการกัดกร่อนที่เกิดจากความเค้น โดยทั่วไปการแปรรูปอาหารไม่กัดกร่อนสเตนเลสมาตรฐานเช่น AISI304 หรือ 316 อย่างไรก็ตาม วิธีการประมวลผลที่หลากหลายในอุตสาหกรรมนี้ทำให้เกิดความล้มเหลวในการกัดกร่อนที่แตกต่างกันมากมาย เช่น:

• การสึกกร่อน/การกัดกร่อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนนมสแตนเลส
• การกัดกร่อนสม่ำเสมอที่เกิดจากกรดแลคติคและกรดอินทรีย์อื่น ๆ ที่อุณหภูมิสูง
• การกัดกร่อนของจุลินทรีย์ที่เกิดจากน้ำผิวดินหรือน้ำบาดาล
• รอยแตกจากการกัดกร่อนจากความเครียด โดยส่วนใหญ่เป็น "รอยแตกร้าวของคลอไรด์"
• ความล้าจากการกัดกร่อนที่เกิดจากการสั่นสะเทือน

 

สำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นในอุตสาหกรรมนม เวย์ นม และน้ำที่ใช้ในกระบวนการผลิตจะได้รับการประมวลผลผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นที่ทำจากสแตนเลส 1.4401 ดังแสดงในตารางด้านล่าง

สินค้า	อุณหภูมิขาเข้า ℃	อุณหภูมิขาออก ℃	ความดัน
เวย์	30	10	ปานกลาง
น้ำนม	7	30	สูง
แปรรูปน้ำ	57	14	ต่ำ

 

เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้อาหารปนเปื้อนรั่วไหล แรงดันของน้ำในกระบวนการผลิตจึงถูกควบคุมให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การรั่วไหลเกิดขึ้นเมื่อแผ่นบางชนกันที่จุดแรงดัน ซึ่งเกิดจากการแตกร้าวจากความเมื่อยล้าในหน้าตัดบางหลังจากจุดกดถูกกัดกร่อนและสึกกร่อน การศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์โลหะวิทยาของส่วนนี้แสดงให้เห็นว่าไม่มีรอยแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นเกิดขึ้น เนื่องจากแรงดันต่ำอยู่บริเวณริมน้ำของกระบวนการ ประกอบกับความผันผวนของแรงดันและการสั่นของการไหลของของไหล จึงเกิดการกัดเซาะ/การกัดกร่อนที่ด้านนี้ วิธีหลีกเลี่ยงการชนกันทางกายภาพของแผ่นคือการเปลี่ยนความดันและความผันผวนของความดันหรือเพิ่มระยะห่างระหว่างแผ่น

 

การกัดกร่อนของจุลินทรีย์ที่เกิดจากน้ำในบ่อ

อุตสาหกรรมอาหารมักใช้น้ำจากบ่อ ปริมาณธาตุเหล็กในน้ำบาดาลค่อนข้างสูง ซึ่งสามารถกระตุ้นแบคทีเรียที่เกี่ยวข้องกับธาตุเหล็กและทำให้เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรง หนึ่งในวิธีการบำบัดน้ำที่ใช้กันทั่วไปคือการเอาเหล็กออกจากน้ำบาดาลเพื่อทำให้อาหารมีรสชาติดีขึ้น และเพื่อหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนของอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์และอุปกรณ์แปรรูปหลังจากการทำความสะอาดและล้าง น้ำผิวดินและน้ำบาดาลยังมีจุลินทรีย์หลายประเภทที่ทำงานทั้งในสภาวะที่ใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจน แบคทีเรียที่เกี่ยวข้องกับเหล็กแบบแอโรบิกจะออกซิไดซ์ไอออนของเหล็ก ในขณะที่แบคทีเรียที่เกี่ยวข้องกับเหล็กแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะลดไอออนของเหล็ก ปฏิกิริยาทั้งสองนี้จัดอยู่ในประเภทการกัดกร่อนของจุลินทรีย์ (MIC) ในที่สุด จุลินทรีย์อื่นๆ ก็อาจออกฤทธิ์ในน้ำได้เช่นกัน เช่น แบคทีเรียลดกรดซัลฟูริก แบคทีเรียที่สร้างกรด ในแผ่นชีวะเดียวกัน แบคทีเรียแอโรบิกและแบคทีเรียแอนแอโรบิก (ด้านล่าง) อาจทำงานอยู่

เมื่อใช้น้ำบาดาลเพื่อบำบัดผักกระป๋อง (ล้างและเย็นหลังพาสเจอร์ไรซ์) ในกรณีที่น้ำไม่ไหลเป็นเวลานาน ท่อที่ผลิต 316L จะรั่วภายในหกเดือนเนื่องจากอุณหภูมิของน้ำสูง น้ำในบ่อนั้นเย็น (ต่ำกว่า 10 ° C) แต่สามารถเพิ่มขึ้นถึง 30 ° C ได้อย่างง่ายดายในฤดูร้อนหากยังคงนิ่งอยู่ในท่อเป็นเวลานาน เมื่อเปรียบเทียบกับ Legionella แล้ว แผ่นชีวะที่มีฤทธิ์กัดกร่อนจะเกิดขึ้นที่อัตราการออกฤทธิ์ที่สูงขึ้นที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น

 

การกัดกร่อนแบบรูพรุนที่เกิดจากการฆ่าเชื้อและฆ่าเชื้อด้วยคลอรีน

โซเดียมไฮโปคลอไรต์มักใช้ในการทำความสะอาดและฆ่าเชื้ออุปกรณ์สแตนเลส หากความเข้มข้นของโซเดียมไฮโปคลอไรต์สูงเกินไปหรือใช้เวลาในการทำความสะอาดและฆ่าเชื้อนานเกินไป โซเดียมไฮโปคลอไรต์จะทำให้เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงของสแตนเลส โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 25°C

 

การแตกหักของการกัดกร่อนจากความเครียด

มีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจากการกัดกร่อนของคลอไรด์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 60 ° C เมื่อการเปลี่ยนรูปเย็น ความเค้นดึงและปริมาณคลอไรด์เพิ่มขึ้น ความเสี่ยงจึงเพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับท่อที่มีการเปลี่ยนรูปเย็นโดยไม่มีการหลอม ท่ออบอ่อนจะไม่ไวต่อการแตกหักของการกัดกร่อนจากความเค้นคลอไรด์ ด้านนอกของท่อเหล็กเชื่อมตะเข็บตรงที่ใช้ในอุตสาหกรรมนมมีความไวต่อคลอไรด์มากกว่ามาก เนื่องจากความเค้นดึงในส่วนที่เกิดจากการดัดงอในระหว่างกระบวนการผลิต ในการใช้งานอื่นๆ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่ออาจเป็นสาเหตุให้เกิดการกัดกร่อนจากการกัดกร่อนจากความเค้นคลอไรด์ รอยแตกจากความเค้นคลอไรด์มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นที่ด้านหนึ่งของเปลือกหากอุณหภูมิสูงกว่า 60 ° C AISI 304 และ 316 มีความไวต่อปัญหานี้และมีความเสี่ยงที่จะเกิดการแตกหักของการกัดกร่อนจากความเค้นเมื่อใช้ในเครื่องระเหยน้ำตาลซึ่งเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติกสามารถ ถูกนำมาใช้แทน สเตนเลสเฟอร์ริติก AISI 441 มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมน้ำตาล โดยเฉพาะ AISI 439 ในการใช้งานจริง ได้มีการพัฒนาทางเลือกของท่อโดยใช้สเตนเลส 304 และสเตนเลส 439 สแตนเลส304 สำหรับท่อสั้นและ 439 สำหรับท่อยาว

สแตนเลส 304: สามารถเลือกเหล็กได้เมื่อความยาวของท่อน้อยกว่า 3 เมตร ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของ 304 สแตนเลสคือ 1.8×10-2 มม./ม.℃ ซึ่งใหญ่กว่าเหล็กกล้าคาร์บอนมาก เมื่อภาชนะอยู่ที่อุณหภูมิสูง ความเครียดจากความร้อนของท่อก็จะสูง ท่อสแตนเลส AISI 304 ได้รับการอบอ่อนหลังจากการเชื่อมตะเข็บตรงในโรงงาน

เหล็กกล้าไร้สนิม 439: ASTM439 เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติกเสถียรด้วยไทเทเนียม (17% ~ 19%Cr) ใช้สำหรับเครื่องระเหยหรือคอยล์ยาวสูงสุด 5 ม. ความเสี่ยงของการกัดกร่อนจากความเค้นแตกหักจะมีมากขึ้นเมื่อความยาวของท่อมากกว่า 7 ม. ความเข้มข้นของคลอไรด์สูง และระดับการเปลี่ยนรูปเย็นสูง ไม่มีการแตกหักของการกัดกร่อนจากความเค้นเกิดขึ้นในสเตนเลสเฟอร์ริติก เช่น AISI 439 เพื่อหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนตามรอยแยก หากทนต่อการกัดกร่อนและสภาพสุขอนามัย ผู้คนมักจะใช้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนโดยที่เปลือกเป็นแผ่นเหล็กคาร์บอนหนาและผนังด้านในมีความหนาบาง ท่อเหล็ก AISI439. ด้วยวิธีนี้ เหล็กกล้าคาร์บอนสามารถให้การป้องกันแคโทดสำหรับท่อสแตนเลสผนังบาง และสามารถลดต้นทุนการออกแบบและการผลิต และยืดอายุการใช้งาน