Jakie jest uzasadnienie techniczne dla grubości osłony 1,2 mm w porównaniu z 2,0 mm w podgrzewaczach zanurzeniowych do wody ze stali nierdzewnej 316 w temperaturze 150 stopni i 6 barach

Usługi związane z wodą pod ciśnieniem w wysokiej temperaturze: podstawowy-kompromis

Jednym z najsurowszych warunków dla każdego materiału powłoki metalicznej są grzałki zanurzeniowe wody kotłowej. Woda jest ciekła w temperaturze 150°C i ciśnieniu 6 barów, ale blisko krzywej nasycenia, tak że każdy lokalny wzrost temperatury na powierzchni osłony może zainicjować wrzenie zarodkowe lub nawet wrzenie filmowe. W tych okolicznościach, przy prawidłowo zarządzanym składzie chemicznym wody, stal nierdzewna 316 ma odpowiednią ogólną odporność na korozję. Jednakże dwa mechanizmy awarii stają się ważne. Pękanie korozyjne naprężeniowe spowodowane stężonymi wodorotlenkami i wżery spowodowane penetracją chlorków. Wybór grubości osłony 1,2 mm lub 2,0 mm nie jest kwestią wyboru. Każda liczba reprezentuje inną filozofię inżynierii z różnymi wyjaśnieniami opartymi na ograniczeniu ciśnienia, naddatku na korozję, reakcji termicznej i kontroli reżimu wrzenia. Badanie to przedstawia uzasadnienie inżynieryjne dla każdej opcji grubości i identyfikuje okoliczności, w których jedna wyraźnie przewyższa drugą.

Uzasadnienie utrzymania ciśnienia przy 6 barach i 150 stopniach

Naprężenie obwodowe w osłonie ze stali nierdzewnej 316 przy ciśnieniu roboczym 6 barów (manometrze) oblicza się przy użyciu wzoru na cylinder cienkościenny-. Wewnętrzny promień rury o średnicy zewnętrznej 12 mm i grubości 1,2 mm wynosi 4,8 mm. Naprężenie obwodowe to ciśnienie razy promień wewnętrzny podzielone przez grubość ścianki: 0,6 MPa razy 4,8 mm podzielone przez 1,2 mm równa się 2,4 MPa. Dla grubości ścianki 2,0 mm promień wewnętrzny wynosi 4,0 mm, a naprężenie obwodowe wynosi 0,6 MPa × 4,0 mm / 2,0 mm=1.2 MPa. Obie liczby są o kilka rzędów wielkości niższe od granicy plastyczności stali nierdzewnej 316 przy 150 stopniach, wynoszącej około 170 MPa. Ograniczenie ciśnienia nie usprawiedliwia grubszej ściany. Nawet ścianka o grubości 1,2 mm ma współczynnik bezpieczeństwa 70 przed utratą plastyczności. Aby zapewnić szczelność przy ciśnieniu 6 barów, wymagana grubość ścianki wynosi co najmniej mniej niż 0,3 mm. Dlatego też podstawy inżynieryjne dla którejkolwiek grubości muszą opierać się na innych podstawach, a nie na względach ciśnienia rozrywającego.

Dlaczego dodatek na korozję w chemii wody kotłowej

Wodę kotłową poddaje się na ogół uzdatnianiu w celu utrzymania warunków zasadowych (pH 9-11) i usunięcia rozpuszczonego tlenu, chlorków i innych wrogich związków. Ogólna szybkość korozji stali nierdzewnej 316 w optymalnym składzie wody w temperaturze 150 stopni jest dość niska, około 0,005-0,015 mm/rok. Ściana o grubości 1,2 mm potencjalnie wytrzymałaby jedynie od 80 do 240 lat w przypadku ciągłego ataku. Jednak w przypadku oryginalnych systemów kotłów panują trudne warunki: nieszczelności skraplacza powodują wprowadzenie chlorków, zła obróbka chemiczna powoduje stężenie substancji żrących lub przedostawanie się tlenu podczas konserwacji. Oszacowano, że miejscowa szybkość korozji w warunkach udarowych wynosi aż 0,1–0,3 mm/rok. Ściana ma grubość 1,2 mm, co daje naddatek na korozję powiedzmy 0,6-0,7 mm, zanim osiągnie się minimalną grubość konstrukcyjną 0,5 mm. Pozwolenie to byłoby wydawane w ciągu 3 do 4 lat przy szybkości korozji spęczającej wynoszącej 0,2 mm/rok. Ściana o grubości 2,0 mm zapewnia naddatek na korozję wynoszący 1,3–1,4 mm i wydłuża czas przeżycia spęczania do sześciu do ośmiu lat. Zatem technicznym powodem zastosowania ścianki o grubości 2,0 mm w instalacji wody kotłowej nie są normalne warunki pracy, ale odporność na zakłócenia chemiczne wody. Cieńsza ściana może być uzasadniona w przypadku obiektów z dobrym monitorowaniem i kontrolą uzdatniania wody. Grubszą ścianę należy uzasadnić jako zabezpieczenie przed zakłóceniami w obiektach o zmiennej jakości wody zasilającej, częstych nieszczelnościach skraplaczy lub ograniczonej liczbie pracowników zajmujących się obróbką chemiczną.

Kontrola reżimu wrzenia i różnicy grubości krytycznej

Najbardziej unikalnym powodem inżynierskim różnicy między 1,2 mm a 2,0 mm jest interakcja każdej grubości z reżimem wrzenia na powierzchni osłony. Przy temperaturze 150 stopni i ciśnieniu 6 barów temperatura nasycenia wody wynosi 150 stopni. Aby móc przenosić ciepło, temperatura płaszcza grzejnika musi być wyższa od temperatury masy, dlatego temperatura powierzchni wynosi zwykle 160-180 stopni, w zależności od gęstości watów i warunków przepływu. Takie temperatury powodują wrzenie jąder. Drugi, wrzenie zarodkowe, ma miejsce, gdy pęcherzyki pary zarodkują się w miejscach zarodkowania na powierzchni osłony, rosną i oddzielają się, i jest bardzo skuteczny w przenoszeniu ciepła. Jeśli jednak strumień ciepła jest zbyt duży lub temperatura powierzchni przekracza określoną wartość, wrzenie zarodkowe zmieni się w wrzenie filmowe, w którym ciągła warstwa pary izoluje osłonę i prowadzi do szybkiego wzrostu temperatury. Grubość ścianki wpływa na temperaturę powierzchni przy określonej gęstości watów. Dla danej gęstości watów wynoszącej 12 W/cm2 na powierzchni osłony w wodzie o temperaturze 150 stopni, ścianka o grubości 1,2 mm będzie miała temperaturę powierzchniową około 165-170 stopni, co mieści się w zakresie reżimu wrzenia zarodkowego. Przy tej samej gęstości mocy ścianka o grubości 2,0 mm i zwiększonym oporze cieplnym podnosi temperaturę powierzchni do 180-185 stopni. Jest to zbliżone do krytycznego strumienia ciepła wody przy tym ciśnieniu i temperaturze. Jeśli jesteś bliżej przejścia wrzenia filmu, ryzykujesz szybką zmianę temperatury w przypadku spadku przepływu lub gwałtownego wzrostu gęstości w watach. Zatem podstawą inżynieryjną dla ścianki o grubości 1,2 mm jest lepsza wydajność cieplna i wyższy margines zapobiegania wrzeniu filmu. Cieńsza ścianka utrzymuje niższą temperaturę powierzchni, co pozwala na większą gęstość watów lub bufor przed zakłóceniami procesu.

Wrażliwość koncentratów wody kotłowej na pękanie korozyjne naprężeniowe

Pękanie korozyjne naprężeniowe (CSCC) jest uznanym mechanizmem uszkodzenia austenitycznych stali nierdzewnych w warunkach wody kotłowej, gdzie występuje miejscowe stężenie ługu pod osadami lub na linii wodnej. Wrażliwość na CSCC wzrasta wraz z temperaturą i stężeniem wodorotlenku sodu. Naprężenie progowe dla CSCC stali nierdzewnej 316 wynosi około 150-200 MPa przy 150 stopniach w rozcieńczonych roztworach zasadowych, ale szybko maleje wraz ze wzrostem temperatury. Istnieją dwa źródła szczątkowych naprężeń rozciągających w osłonie grzejnika: wewnętrzne naprężenie ciśnieniowe (pokazane powyżej jako minimalne) i naprężenia szczątkowe produkcyjne powstałe w wyniku ciągnienia i zginania rur. Naprężenia szczątkowe obręczy w ciągnionych rurach ze stali nierdzewnej 316 wynoszą zazwyczaj 50–150 MPa, w zależności od stopnia obróbki na zimno i stanu wyżarzania rury. Ściana o grubości 1,2 mm jest cieńsza, dlatego po ciągnieniu ma mniejsze naprężenia szczątkowe niż ściana o grubości 2,0 mm. Dzieje się tak, ponieważ do uzyskania ostatecznego wymiaru potrzeba mniej pracy na zimno. Doświadczenie praktyczne wskazuje, że grzejniki o cieńszych ściankach są mniej podatne na inicjację CSCC ze względu na niższe naprężenia szczątkowe i niższą temperaturę powierzchni, co zmniejsza szybkość stężenia ługu. Podstawą inżynieryjną ściany o grubości 1,2 mm jest niższa wewnętrzna podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe w tych samych warunkach chemicznych wody.

Reakcja termiczna i kontrola systemu

Grzejniki zanurzeniowe wody w kotle są powszechnie stosowane w systemach wymagających precyzyjnej kontroli temperatury. Masa termiczna płaszcza wpływa na czas reakcji na sygnały sterujące. Ściana o grubości 2,0 mm zawiera około 67% więcej metalu na jednostkę długości niż ściana o grubości 1,2 mm (dla tej samej średnicy zewnętrznej, tj. rury 12 mm, pole- przekroju poprzecznego osłony zwiększa się z 40,7 mm² do 62,8 mm²). Ten dodatkowy metal działa jak kondensator termiczny, który spowalnia tempo zmian temperatury powłoki po włączeniu lub odłączeniu zasilania. W przypadku systemu, który często się włącza i wyłącza, grubsza ściana powoduje większe wahania temperatury i dłuższe okresy osiadania. Co ważniejsze, ze względu na opóźnienie termiczne pomiędzy drutem oporowym a powierzchnią osłony, układ sterowania reagujący na termoparę umieszczoną na osłonie będzie wolno reagował na zmiany temperatury drutu. Stała czasowa przekazywania ciepła z drutu na powierzchnię zewnętrzną dla ściany o grubości 1,2 mm wynosi około 0,5-1,0 sekundy. W ścianie o grubości 2,0 mm ta stała czasowa wynosi 1,5-3,0 sekundy. Ta różnica jest niewielka w przypadku większości sterowników kotłów, ale w przypadku zastosowań wymagających dużej precyzji lub systemów z szybkimi zmianami obciążenia cieńsza ścianka zapewnia lepszą sterowalność. Technicznym uzasadnieniem zastosowania ścianki o grubości 1,2 mm w tych zastosowaniach jest lepsza responsywność dynamiczna i ściślejsza kontrola temperatury.

Tabela podsumowująca uzasadnienie techniczne

Rozważanie Płaszcz 1,2 mm Płaszcz 2,0 mm
Współczynnik bezpieczeństwa utrzymania ciśnienia przy 6 barach 70 (doskonały) 140 (przeprojektowany)
Naddatek na korozję podczas normalnej pracy 0,6 mm (80+ lat) 1,4 mm (180+ lat)
Czas przeżycia spękań (szybkość korozji 0,2 mm/rok) 3-4 lata 6-8 lat
Temperatura powierzchni przy 12 W/cm2 165-170 stopni 180-185 stopni
Margines przejścia do wrzenia filmuDuży Mały
Naprężenia szczątkowe produkcyjne Niższe (50–100 MPa) Zwiększone (80–150 MPa)
Ryzyko zainicjowania CSCCLowerHigher
Stała czasu reakcji termicznej 0,5 do 1,0 sekundy 1,5 do 3,0 sekundy
Uzasadnione Normalne zastosowanieDobrze kontrolowane systemy Wysoka gęstość mocy Precyzyjne sterowanie Konserwatywny projekt Systemy-podatne na zakłócenia Zmienna woda zasilająca
Wnioski: Techniczne uzasadnienie dla każdej grubości

To nie jest tak, że jeden jest lepszy od drugiego. Na przykład grzałki zanurzeniowe kotła ze stali nierdzewnej 316 przy 150 stopniach i 6 barach: grubość osłony 1,2 mm lub 2,0 mm. Ścianka o grubości 1,2 mm jest uzasadniona, gdy skład chemiczny wody jest dobrze kontrolowany i utrzymywany w sposób ciągły, gdy wymagana jest praca z dużą gęstością watów i gdy ważny jest czas reakcji termicznej. Powoduje to niższą temperaturę powierzchni, większy margines przeciw wrzenia filmu, mniej naprężeń szczątkowych i mniejszą podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe. Ścianka o grubości 2,0 mm jest gwarantowana tam, gdzie spodziewane jest zaburzenie składu chemicznego wody, konieczny jest dłuższy czas przetrwania spęcznienia i gdzie zgodnie z filozofią projektowania preferowany jest naddatek na korozję nad właściwościami cieplnymi. Daje to większą rezerwę metalu na miejscowy atak, ale kosztem wyższych temperatur powierzchni i być może większego ryzyka CSCC. W przypadku większości obecnych systemów kotłów, w których obróbka chemiczna jest zautomatyzowana, a monitorowanie jest stałe, uzasadnienie techniczne mieści się w zakresie 1,2–1,5 mm. Ścianka o grubości 2,0 mm jest dość ostrożnym wyborem w przypadku starszych roślin, roślin o zmiennym składzie jakości wody lub w sytuacjach, w których nie jest łatwo sprawdzić i wymienić grzejnik. W takich przypadkach inżynier powinien uzasadnić wybór na podstawie możliwości zarządzania składem chemicznym wody, oczekiwanej częstotliwości spęczań i potrzeb w zakresie gęstości watowej, a nie błędnym założeniem, że grubszy jest zawsze bezpieczniejszy w przypadku wody pod ciśnieniem w wysokiej temperaturze.