What Is the Maximum Allowable 316 Stainless Steel Sheath Wall Thickness for a Low-Pressure Steam Heating Application at 130 Degrees Celsius with Condensate Return?

Inżynierowie procesu konstruujący elektryczne grzałki zanurzeniowe do systemów parowych o niskim-ciśnieniu, takich jak płaszcze parowe, komory nawilżające i sprzęt do sterylizacji, stają przed wyjątkowym zestawem ograniczeń związanych z występowaniem powrotu kondensatu. W przeciwieństwie do zastosowań z czystą wodą lub suchą parą, systemy powrotu kondensatu składają się z mieszaniny ciekłej wody, rozpuszczonego tlenu i zazwyczaj śladowych ilości kwasu węglowego z rozpuszczonego dwutlenku węgla. Środowisko działa w pewnym stopniu korodująco na stal nierdzewną 316, szczególnie na styku wody-z parą wodną, ​​gdzie gradienty stężeń tlenu powodują miejscową korozję. Naddatek na korozję zależy od grubości ścianki płaszcza 316 i, co ważniejsze, temperatury powierzchni w porównaniu z temperaturą nasycenia pary. Jeśli temperatura powierzchni osłony jest zbyt niska, sprzyja to tworzeniu się powłoki kondensatu i korozji, natomiast jeśli jest zbyt wysoka, zwiększa osadzanie się kamienia i naprężenia termiczne. W artykule tym zdefiniowano maksymalną dopuszczalną grubość ścianki płaszcza 316 w układzie pary powrotnej kondensatu w oparciu o szybkość korozji i optymalizację przenikania ciepła.

Mechanizmy korozji w powrocie kondensatu pary
Ciśnienie nasycenia pary o niskim ciśnieniu w temperaturze 130 stopni wynosi około 2,7 bara bezwzględnego. Kiedy para spotyka powierzchnię poniżej temperatury nasycenia, wytwarza kondensat w postaci ciekłej powłoki. Kondensat ten usuwa tlen i dwutlenek węgla z pary i powietrza w-wycieku i tworzy umiarkowanie kwaśny roztwór o pH od 4,5 do 6.0. 316. Stal nierdzewna wykazuje w tym środowisku ogólną szybkość korozji wynoszącą 0,02–0,08 mm/rok, w zależności od zawartości tlenu i szybkości regeneracji kondensatu. Co ważniejsze, miejscowa korozja-wżerowa i szczelinowa-występuje w linii wodnej, gdzie osłona wnika w warstwę kondensatu. Tworzenie się komórek koncentracji tlenu może skutkować szybkością korozji w pobliżu linii wodnej, która jest od dwóch do pięciu razy większa niż szybkość korozji przy całkowitym zanurzeniu. W przypadku grzejnika o żywotności projektowej wynoszącej pięć{{14}lat, wymagany jest naddatek na korozję wynoszący 0,2–0,4 mm w przypadku korozji ogólnej + 0.3–0,6 mm jest niezbędny w przypadku ataku na linię wodną. Koszulka o grubości 1,0 mm nie miałaby wystarczającego marginesu i uległaby perforacji w ciągu dwóch do trzech lat. Osłona o grubości 1,6 mm zapewnia odpowiedni margines na pięcioletni okres użytkowania. Jednakże grubsze ścianki mogą prowadzić do wyższej temperatury powierzchni osłony przy danej gęstości watów, co może mieć wpływ na zachowanie się kondensacji.

Wpływ grubości ścianki na tworzenie się filmu kondensatu i korozję
W przypadku grzejnika pracującego w parze o temperaturze 130 stopni temperatura powierzchni płaszcza powinna być wyższa niż temperatura nasycenia, aby uniknąć tworzenia się filmu kondensatu. Warunki suchej pary bez ciekłej wody na powłoce uzyskuje się, gdy temperatura powierzchni wynosi 5-10 stopni powyżej nasycenia. 316. Szybkość korozji w suchej parze jest niewielka – < 0,01 mm rocznie. Powyższe szybkości korozji dotyczą ciągłej warstwy kondensatu w temperaturze powierzchni nasycenia lub niższej. Temperaturę powierzchni płaszcza oblicza się jako temperaturę pary w masie plus wzrost temperatury w wyniku strumienia ciepła przez ścianę płaszcza. Grubsza ściana zwiększa opór przewodzący, a tym samym zwiększa temperaturę powierzchni dla danej gęstości watów. Grubościenna osłona może faktycznie zapobiegać korozji, utrzymując suchą powierzchnię. Osłona o wąskich ściankach może być chłodniejsza i sprzyjać atakowi kondensatu. Rozważ grzejnik o mocy 8 W/cm² i parze o temperaturze 130 stopni. Temperatura zewnętrznej powierzchni osłony 316 o ściance 1,0 mm wynosi około 133 stopnie, tylko 3 stopnie powyżej nasycenia. W marginalnych okolicznościach może powstawać sporadyczny kondensat. Temperatura zewnętrznej powierzchni osłony ściennej o grubości 1,6 mm wynosi około 138 stopni - 8 stopni powyżej nasycenia, dlatego istnieje bezpieczny margines dla pracy na sucho. To nie dodatek materiału minimalizuje korozję, ale zmiana stanu powierzchni z mokrego na suchy, którą zapewnia gruba ściana. Jest to ważna lekcja dotycząca projektowania systemów parowych: większe ściany mogą zapewniać odporność na korozję nawet w sytuacjach kondensacji.

Zalecana grubość ścianki dla powrotu kondensatu z instalacji parowej
W poniższej tabeli wymieniono dopuszczalne grubości ścianek osłon elektrycznych grzałek zanurzeniowych pracujących w trybie pary niskociśnieniowej z powrotem kondensatu. Wartości obliczono dla pracy ciągłej, jakości pary typowej dla kotłów przemysłowych i przewidywanego okresu użytkowania wynoszącego 5 lat.

Temperatura pary Wat Gęstość robocza Zalecana minimalna 316 Grubość ścianki Zalecana maksymalna 316 Grubość ścianki Temperatura powierzchni powłoki przy maksymalnej grubości Oczekiwana szybkość korozji Dominujący tryb awarii 110 stopni (1,4 bar) 6 – 10 W/cm² 1,2 mm 2,0 mm 115 – 122 stopnie 0,05 – 0,10 mm/rok Korozja warstwy kondensatu 120 stopni (2,0 bar) 6 – 10 W/cm² 1,2 mm 2,0 mm 125 – 132 stopnie 0,03 – 0,08 mm/rok Przejściowe mokre/suche 130 stopni (2,7 bar) 6 – 10 W/cm² 1,4 mm 2,5 mm 135 – 145 stopni Poniżej 0,02 mm/rok (suchy) Termocykl
Dowolna temperatura, okresowa kondensacja 4 – 8 W/cm² 1,6 mm 2,5 mm Zmienna 0,08 – 0,15 mm/rok (cykle mokre) Wżery na linii wodnej
W przypadku temperatur pary przekraczających 140 stopni temperatura powierzchni płaszcza może przekroczyć 160 stopni przy grubych ściankach, co może spowodować miejscowe wrzenie i rozwój kamienia, jeśli w wodzie obecne są rozpuszczone cząstki. W takich przypadkach pożądane jest uzyskanie-mniejszej grubości ścianki w określonym zakresie. Dla pary o temperaturach poniżej 120 stopni trudno jest ustalić warunki suchego płaszcza przy dowolnej praktycznej grubości ścianki, ponieważ temperatura nasycenia jest niska, a wzrost temperatury w wyniku strumienia ciepła jest ograniczony. W przypadku pary niskotemperaturowej-inżynierowie powinni zaakceptować fakt, że będzie się tworzyć warstwa kondensatu, i dlatego określić grubość ścianki na podstawie naddatku na korozję, a nie na podstawie pracy na sucho.

Modyfikacje projektu w celu uzyskania pracy w suchej osłonie przy cienkich ściankach
Jeśli w instalacjach parowych wymagana jest-cienka osłona ze stali 316 o grubości poniżej 1,2 mm (zwykle w celu szybkiej reakcji termicznej w układach niskociśnieniowych), trzy zmiany konstrukcyjne mogą skutkować pracą na sucho pomimo niższego wzrostu temperatury. Jednym z nich jest zwiększenie gęstości watów. Zwiększenie gęstości watów z 5 W/cm² do 10 W/cm² może podnieść temperaturę powierzchni powłoki o około 15–20 stopni i może zmienić tryb pracy z mokrego na suchy. W zamian-jest większe ryzyko lokalnego przegrzania w przypadku zatrzymania przepływu pary. Druga regulacja polega na uruchomieniu grzejnika w trybie przerywanym przy wyższej temperaturze szczytowej. Grzejnik pracujący w zakresie temperatur od 130 do 180 stopni będzie spędzał większość czasu powyżej temperatury nasycenia, z jedynie krótkimi okresami kontaktu z kondensatem podczas uruchamiania. Jeśli grzejnik wyschnie w ciągu kilku minut, uszkodzenia korozyjne podczas uruchamiania będą ograniczone. Ostatnią zmianą jest zamontowanie odpływu kondensatu, który zapobiegnie tworzeniu się wody w stanie ciekłym wokół grzejnika. W przypadku braku stojącego kondensatu szybkość korozji jest znacznie zmniejszona, nawet jeśli powierzchnia jest wilgotna i tworzy cienką warstwę. W przypadku większości przemysłowych systemów parowych grubość ścianki wynosząca 1,6 mm stanowi dobry kompromis pomiędzy naddatkiem na korozję, marginesem pracy na sucho i wytrzymałością mechaniczną. Inżynierowie muszą zapewnić niezbędny margines temperatury powierzchni, często 5–10 stopni powyżej nasycenia, i poprosić producenta o określenie kombinacji grubości ścianki i gęstości watów, która zapewni ten margines. Dostawca, który nie jest w stanie dokonać tego oszacowania, może nie doceniać specjalnych potrzeb w zakresie obsługi kondensatu parowego.