Inhibition of Pitting Corrosion in 316L Stainless steel: an evaluation of the phenomena and method to facilitate material selection for processing equipment

Abstract

This master’s thesis is written for Tetra Pak with the aim to investigate if pitting corrosion inhibition can
be detected for Stainless Steel 316L in contact with dairy products in an experimental setup. The aim
was also to continue developing a corrosion test method to facilitate for material selection of food pro-
cessing equipment in order to reduce the extent of detrimental pitting corrosion. The experimental work
was conducted with the help of the department of Production and Materials Engineering at Lund Univer-
sity. A corrosion testing machine was utilized in order to follow the corrosion of the SS 316L samples.
The corrosion testing routine was modified to suit food processing conditions with modifications to the
sample preparation and the implementation of a cleaning in place (CIP) routine to combat fouling and
biofilm-growth in the machine. Pitting corrosion of SS 316L was inhibited by the presence of dairy in
the electrolyte for all assessed parameters except for the salt concentration 100 000 ppm (10wt%). The
results can provide insight into the material selection of food processing equipment if compared to real-
life pitting corrosion and industry knowledge. The method shows great promise to utilize in testing novel
food products in which the industry lacks knowledge and make informed material choices of processing
equipment. Necessary developments to further use the method is to eliminate crevice corrosion and alter
the electrochemical measurements to suit the operating conditions.

Popular Abstract (Swedish)

Kan mjölk skydda mot gropfrätning på processutrustning av rostfritt stål och hur kan man testa det?

Tetra Pak säljer högspecialiserad processutrustning till livsmedelsproducenter och utrustningen är ofta tillverkad av rostfritt stål. Stålet motstår många typer av rost, men gropfrätning är en typ av korrosion som påverkar stålet vid framför allt höga temperaturer och höga salthalter. Dessa förutsättningar är inte ovanliga inom matproduktion. Mat innehåller ofta olika salter och behöver behandlas vid höga temperaturer, till exempel så att eventuella skadliga bakterier i maten dör. Gropfrätning är svår att förutse och kostar både tid och pengar inom livsmedelsindustrin för såväl tillverkare och säljare som deras kunder. I detta projekt undersöktes det om en mjölkprodukt kan skydda mot korrosion och om en tidigare utvecklad metod kan användas för att testa fenomenet. Resultaten kan användas som stöd i materialval till processutrustning.

Efterfrågan på mat är förutspådd att öka med 50% till år 2050. Detta kommer medföra en ökad efterfrågan på processlösningar då matproducenter kommer behöva robust och tillförlitlig utrustning. För att kunna garantera livsmedelssäkerhet och hållbarhet av utrustning behöver Tetra Pak välja material till utrustning anpassat efter livsmedel och processparametrar. Hur livsmedlet och det rostfria stålet fungerar ihop är inte alltid lätt att förutse, speciellt i produktion av nya livsmedel där industrin saknar den mångåriga erfarenhet som de till exempel har för livsmedel som funnits en längre tid på marknaden. För att minimera förlust av tid och pengar på utrustningsreparation och felsökningar har en metod utvecklats i samarbete mellan Tetra Pak, Alfa Laval och Industriell Produktion på LTH som gör det möjligt att testa material i kontakt med livsmedel under förhållanden som är mycket lika verklig matproduktion. I vanliga fall kan det ta år för gropfrätning att uppstå men med hjälp av metoden kan man istället se gropar efter två timmar.

Metoden baseras på att attrahera saltmolekyler till ytan av provet snabbare än vad som sker i verkligheten och påskynda de reaktioner som sker på ytan av stålet. Först appliceras en spänning över provet som man låter öka, då färdas elektroner från provet i den externa sladden till en motelektrod. Vid motelektroden reagerar elektronerna med vatten och syre och kan i form av hydroxidjoner föras mot ytan på stålprovet, denna ström accelererar även klorider mot ytan. När man framkallat gropfrätningen ändrar man riktning av elektronerna och provet får då elektroner från motelektrod via extern sladd och färdas sedan vis lösningen från provets yta mot motelektroden. Då kan det skyddande lagret på provets yta repareras. Med hjälp av mätningen får man veta vid vilka förhållanden som provets yta blir förstörd av korrosion och om provets yta kan repareras. Resultaten får man på en kopplad dator och spänning som appliceras i olika riktningar kontrolleras med en så kallad potentiostat.

Rostfritt stål har ett lager på ytan som skyddar mot rost. Det finns olika typer av stål som innehåller olika ämnen med olika egenskaper och i detta projekt testas 316L, som generellt har ett starkt skyddande lager på ytan. Men detta lager kan försvagas i vissa miljöer och då kan gropfrätning uppstå på specifika platser på stålet. Istället för den röda rost man kan se på järn och stål i till exempel kontakt med vatten uppstår det vid gropfrätning gropar i materialet. Massa små hål innebär till exempel ställen där bakterier kan fastna och att materialet lättare kan gå sönder.

Mjölk kunde under detta projekt påvisas skydda stålet mot gropfrätning. Det kan bero på att molekyler i mjölken fäster sig vid ytan och blockerar mot attack på ytan. Metoden fungerade att använda men anpassades något för att kunna användas med mjölk. Bland annat ökades flödet av lösningen genom provkammare för att öka omblandning och en rutin för rengöring av maskinen implementerades. Vid olika temperaturer skyddade mjölken olika mycket och vid väldigt höga salthalter skyddade mjölken inte lika mycket. Vid högre temperaturer och salthalter förväntas gropfrätningen ske vid en lägre potential men i närvaro av mjölk höjdes denna. Till exempel var det ingen skillnad mellan lösningar som innehöll mjölk vid 60°C och utan mjölk vid 30°C. Även vattenlösningar med 0.1% salt och mjölklösningar med 1% (tio gånger så mycket) uppvisade samma gropfrätningsmotstånd. Metoden bör vidareutvecklas så att störningar från spaltkorrosion (en närbesläktad typ av korrosion - som man ej vill mäta) minskar, så att resultaten blir mer lättolkade. Spaltkorrosion uppstår i springan mellan stålprovet och packning och kan motverkas med destillerat vatten (vatten utan joner - och utan dessa kan ej elektroner som deltar i reaktionerna ”få skjuts” i lösningen) i springorna bland annat. Mjölken fastnade i maskinen och på provet vilket också kan bidra till springor och hålrum där spaltkorrosion kan ske. En lösning kan vara att öka omblandning i maskinen eller att öka kylförmågan. Tetra Pak kan vidare testa fler livsmedel, utveckla metoden och stegvis sammanställa en resultatbank som kan hjälpa i materialval av processutrustning.

• author: Håkansson, Emma
• supervisor: Filip Lenrick; Martin Adell
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM10 20241
• year: 2024
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Stainless steel, Stainless steel 316L, 316L, Electrochemistry, Cyclic Polarization, Corrosion, Pitting Corrosion, Material chemistry
• language: English
• id: 9158081
• date added to LUP: 2024-06-20 14:51:54
• date last changed: 2024-06-20 14:51:54