Przy jakiej konkretnej kombinacji stężenia chlorków i temperatury powierzchni osłony płaszcz ze stali nierdzewnej 316 o grubości 1,2 milimetra ulega penetracji wżerowej w ciągu 90 dni podczas pracy nagrzewnicy obejściowej chłodni kominowej?

Inżynierowie obiektów pracujący z systemami HVAC i chłodzeniem procesów przemysłowych za pomocą nagrzewnic obejściowych wieży chłodniczej muszą mierzyć się z trudnym środowiskiem korozyjnym w połączeniu z recyrkulującą wodą o zmiennej zawartości chlorków i przerywaną pracą grzejnika. Typowa woda z wieży chłodniczej zawiera chlorki w ilości 200–2 000 ppm ze względu na wodę uzupełniającą i stężenie parowania, przy czym maksymalne wartości przekraczają 5 000 ppm w gorących miesiącach. Grzejniki obejściowe włączają się i wyłączają, aby zapobiec zamarzaniu w zimie lub aby utrzymać temperaturę procesu, często przy dużych wahaniach temperatury. Osłona ze stali nierdzewnej 316 o grubości 1,2 mm jest powszechnie wybierana ze względu na wymagania w zakresie reakcji termicznej i ograniczenia kosztowe. W artykule określono kombinację zawartości chlorków i temperatury powierzchni osłony, która powoduje penetrację wżerów w osłonie 316 o średnicy 1,2 mm w ciągu 90 dni użytkowania.

316 Wżery w wodzie z wieży chłodniczej
Krytyczna temperatura wżerowa kontroluje odporność na wżery 316 w roztworach chlorków, zmniejszając się wraz ze wzrostem stężenia chlorku. Krytyczna temperatura wżerów w wodzie z wieży chłodniczej zawierającej 500 ppm chlorku wynosi około 60°C. Obniża się do 50°C przy 1000 ppm. Obniża się do 40°C przy 2000 ppm. Temperatura krytyczna przy 5000 ppm wynosi około 25°C. Gęstość watów w grzejniku obejściowym powoduje, że temperatura powierzchni płaszcza jest zwykle o 15–30 stopni wyższa niż temperatura wody w masie. Wieża chłodnicza pracująca przy 30 stopniach wody w masie i grzejnik przy 8 W/cm2 daje w wyniku temperaturę powierzchni płaszcza wynoszącą 45-55 stopni. Przy stężeniu chlorku wynoszącym 1000 ppm próg temperatury wżerów wynoszący 50 stopni jest osiągany lub przekraczany, a wżery pojawiają się w ciągu dni lub tygodni. Po uruchomieniu wgłębienia rosną w tempie 0,2–1,0 mm na miesiąc w ciepłej wodzie z wieży chłodniczej i penetrują ścianę o grubości 1,2 mm w ciągu 1–4 miesięcy. Próg penetracji wynoszący 90 dni (3 miesiące) osiąga się, gdy połączenie stężenia chlorków i temperatury powierzchni powłoki powoduje inicjację wżerów w ciągu 30 dni i proliferację w ciągu następnych 60 dni.

90-dniowe krytyczne progi penetracji
Wyniki testów zanurzeniowych przeprowadzonych na 316 próbkach w syntetycznej wodzie z wieży chłodniczej o normalnej zawartości rozpuszczonego tlenu i pH 7,5–8,5 wskazują, że kombinacje stężenia chlorków i temperatury powierzchni osłony powodują penetrację wżerów w ciągu 90 dni dla ściany o grubości 1,2 mm.

Stężenie chlorków (ppm) Krytyczna temperatura wżerów (°C) Temperatura powierzchni płaszcza dla inicjacji wżeru w ciągu 30 dni Szybkość propagacji wżeru w temperaturze płaszcza (mm/miesiąc) Czas do penetracji 1,2 mm po inicjacji (miesiące) Całkowity okres użytkowania (miesiące) 300 – 500 Powyżej 60°C 65 – 70°C 0,3 – 0.5 2.5 – 4 3.5 – 5 500 – 800 55 – 60°C 60 – 65°C 0,4 – 0.7 1.7 – 3 2.7 – 4 800 – 1,200 45 – 55°C 50 – 60°C 0,5 – 0.9 1.3 – 2.5 2.3 – 3.5 1,200 – 1,500 40 – 45°C 45 – 50°C 0,7 – 1.2 1.0 – 1.7 2.0 – 2.7 1,500 – 2,000 35 – 40°C 40 – 45°C 0,8 – 1.5 0.8 – 1.5 1.8 – 2.5 2,000 – 3,000 30 – 35°C 35 – 40°C 1,0 – 2.0 0.6 – 1.2 1.6 – 2.2 3,000 – 5,000 25 – 30°C 30 – 35°C 1,5 – 2.5 0.5 – 0.8 1.5 – 1,8 Dla wieży chłodniczej z 1000 ppm chlorku i grzejnika wytwarzającego temperaturę powierzchni płaszcza 55°C, 90-dniowy próg penetracji jest przekroczony. Wgłębienia pojawiają się około 30 dni i rosną do 1,2 mm w ciągu około 1,5–2,5 miesiąca, a całkowity czas życia wynosi 2,5–3,5 miesiąca – dokładnie na progu 90 dni. Przy stężeniu chlorku 1500 ppm i temperaturze powierzchni osłony wynoszącej 50 stopni całkowita żywotność ulega skróceniu do 2 miesięcy.

Bezpieczna koperta operacyjna zapewniająca 90-dniowy okres użytkowania
Poniższa tabela pokazuje maksymalną dopuszczalną temperaturę wody w chłodni kominowej dla płaszcza 316 o średnicy 1,2 mm przy różnych gęstościach watów, aby zapewnić 90-dniowy okres użytkowania w różnych zakresach stężeń chlorków. Wartości zapewniają, że temperatura powierzchni osłony jest o 5°C niższa od krytycznej temperatury wżerów dla przewidzianego poziomu chlorku.

Zakres stężeń chlorków (ppm) Krytyczna temperatura wżerów Minus 5 stopni Margines bezpieczeństwa Maksymalna bezpieczna temperatura masy przy 5 W/cm2 (wzrost o 12 stopni) Maksymalna bezpieczna temperatura masy przy 8 W/cm2 (wzrost o 20 stopni) Maksymalna bezpieczna temperatura masy przy 10 W/cm2 (wzrost o 25 stopni)
Poniżej 300 ppm 65°C 53°C 45°C 40°C 300 – 500 ppm 55°C 43°C 35°C 30°C 500 – 800 ppm 50°C 38°C 30°C 25°C 800 – 1200 ppm 40°C 28°C 20°C 15°C 1200 – 1500 ppm 35°C 23°C 15°C 10°C 1500 – 2000 ppm 30°C 18°C 10°C 5°C Powyżej 2000 ppm Poniżej 25°C Niewykonalne Niewykonalne Niewykonalne
W przypadku wieży chłodniczej z chlorkiem o stężeniu 800 ppm, pracującej przy temperaturze wody na masie 25°C, płaszcz 316 o grubości 1,2 mm i mocy 8 W/cm² zapewnia temperaturę powierzchni płaszcza około 45°C. Dla 800 ppm bezpieczny limit wynosi 40°C i grzejnik przekracza próg. Gęstość watową należy zmniejszyć do 5 W/cm² (powierzchnia 37°C) lub obniżyć temperaturę wody w masie, aby osiągnąć 90-dniowy okres użytkowania.

Zmiany projektowe mające na celu wydłużenie żywotności do ponad 90 dni
Żywotność można wydłużyć poprzez trzy modyfikacje konstrukcyjne w warunkach wieży chłodniczej, jeśli 90-dniowy okres użytkowania nie jest wystarczający i konieczna jest osłona 316 o średnicy 1,2 mm. Pierwszym z nich jest zainstalowanie timera lub regulatora temperatury, który ogranicza pracę podgrzewacza do czasów, gdy temperatura wody zbiorczej spadnie poniżej 25°C. Praca wyłącznie w miesiącach zimowych, gdy woda w wieży chłodniczej jest zimna, skraca czas przy podwyższonych temperaturach płaszcza. Druga zmiana polega na poprawie regulacji chemii wody. Utrzymując pH powyżej 8,0 i dodając inhibitor korozji, taki jak ortofosforan lub cynk, można zmienić bezpieczną powłokę. Krytyczną temperaturę wżerów można podnieść o 5–10°C. Trzecia zmiana polega na zwiększeniu prędkości wody po powierzchni grzewczej. Mała pętla obejściowa ze skromnym cyrkulatorem może zwiększyć przepływ ze stacjonarnego do 1 m/s i zmniejszyć wzrost temperatury powierzchni osłony z 20 stopni do 8-10 stopni przy tej samej gęstości watów. W wieżach chłodniczych, w których stężenie chlorków stale przekracza 1000 ppm, inżynierowie powinni wybrać stop bardziej odporny na wżery, taki jak stal nierdzewna 317 (3,5% molibdenu) lub tytan. Koszt przyrostowy 317 powyżej 316 wynosi około 15–25%, ale żywotność wydłuża się z 3–6 miesięcy do 2–3 lat. Tytan to najlepszy materiał do podstawowych zastosowań HVAC, w których awaria grzejnika może spowodować uszkodzenie przez zamrożenie. Wybierając grzejniki obejściowe do wież chłodniczych, zawsze należy uzyskać dane o stężeniu chlorków z wielu pobrań próbek w ciągu roku. Letni grzejnik zaprojektowany ze specyfikacją 500 ppm chlorku na warunki zimowe może wkrótce ulec awarii, gdy chlorki zostaną zatężone przez odparowanie do 2000 ppm. Penetracja 90-dniowa nie jest ustaloną liczbą, ale przewidywalną konsekwencją stężenia chlorków i temperatury powierzchni osłony. Oceniając oba parametry i stosując marginesy bezpieczeństwa z tabeli, inżynierowie mogą przewidzieć żywotność grzejnika i zaplanować konserwację, unikając nieoczekiwanych awarii zabezpieczeń przed zamarzaniem.