Jaka jest niezawodna grubość płaszcza dla grzejników obiegowych ze stali nierdzewnej 316 w 40% solance chlorku wapnia w temperaturze 90 stopni i ciśnieniu w układzie 5 barów

Podstawowy kompromis-w zakresie-usługi solankowej o dużej gęstości

Solanka chlorku wapnia (stężenie 40%) to typowy płyn do przenoszenia ciepła stosowany w układach chłodniczych, zastosowaniach od-odladzania i przemysłowych pętlach chłodniczych. Solanka z chlorku wapnia (gęstość około 1,4 g/cm3, temperatura zamarzania -45 stopni przy optymalnym stężeniu) jest bardziej gęsta niż solanka z chlorku sodu i może utrzymywać się w stanie ciekłym w niższych temperaturach. Stal nierdzewna 316 sprawdza się w bardzo wymagających warunkach przy 90 stopniach i ciśnieniu systemowym wynoszącym 5 barów. 40%. Solanka z chlorku wapnia ma zawartość chlorków około 25% wagowych i jest bardzo agresywna. Jednakże działanie korozyjne jest umiarkowane w porównaniu z chlorkiem sodu ze względu na obecność jonów wapnia. Jony wapnia hamują aktywność jonów chlorkowych poprzez parowanie jonów. Aby uzyskać niezawodną grubość płaszcza dla tej funkcji, należy wziąć pod uwagę trzymanie ciśnienia, odporność na wżery w solance o wysokiej zawartości chlorków, erozję spowodowaną zawieszonymi ciałami stałymi oraz sprawność cieplną niezbędną do przenoszenia ciepła. W przeciwieństwie do chlorku żelaza, gdzie stal 316 jest bardzo nieodpowiednia, stal nierdzewna 316 może przyjmować solankę chlorku wapnia w umiarkowanych temperaturach, przy odpowiedniej grubości i dyscyplinie operacyjnej.

Utrzymanie ciśnienia przy 5 barach i 90°C

Wymagane naprężenie obręczy dla płaszcza nagrzewnicy obiegowej przy ciśnieniu w układzie 5 barów jest małe, ale nie zerowe. W przypadku rury o średnicy zewnętrznej 12 mm zależy to od grubości ścianki. Wzór na naprężenie obwodowe to σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t daje następujące wartości: dla ściany o grubości 1,2 mm (promień wewnętrzny 4,8 mm) naprężenie wynosi 0,5 MPa razy 4,8 mm przez 1,2 mm, co daje 2,0 MPa. Dla ściany o grubości 2,0 mm (promień wewnętrzny 4,0 mm) naprężenie wynosi 0,5 MPa razy 4,0 mm podzielone przez 2,0 mm, czyli 1,0 MPa. Obydwa wyniki są znacznie niższe niż granica plastyczności stali nierdzewnej 316 wynosząca 170 MPa przy 90 stopniach. Grubość nie jest określana wyłącznie na podstawie utrzymywania ciśnienia. Jednakże podgrzewacze obiegowe solanki są często montowane do złączek gwintowanych lub kołnierzowych, które muszą przenosić moment obrotowy podczas montażu i ciśnienia rozszerzalności cieplnej. Minimalna grubość w miejscach połączeń powinna wynosić 1,2 mm, aby zapewnić połączenie gwintu i odporność mechaniczną. Cieńsze ścianki niż 1,0 mm mogą powodować ryzyko zerwania gwintu lub odkształcenia po zamontowaniu.

Odporność na miejscową korozję w stężonych solankach chlorku wapnia

Odporność na wżery stali nierdzewnej 316 w solance chlorku wapnia jest znacznie lepsza niż w solance chlorku sodu przy podobnych procentach wagowych chlorku. Dzieje się tak dlatego, że jony chlorkowe są mniej aktywne w roztworach chlorku wapnia. Krytyczna temperatura wżerów stali nierdzewnej 316 przy 25% stężeniu jonów chlorkowych (od 40% CaCl2) wynosi około 45-55 stopni w zależności od zawartości tlenu i warunków przepływu. Temperatura roztworu jest znacznie wyższa od krytycznej temperatury wżerów wynoszącej 90°C, w związku z czym nastąpi wżerowanie. Pytanie brzmi, z jaką szybkością rozprzestrzeniają się jamki. Szybkość wzrostu wżerów dla stali nierdzewnej 316 w 40% CaCl2 w temperaturze 90 stopni w warunkach napowietrzonych jest publikowana jako 0,3-0,8 mm/rok, przy czym niższa wartość jest związana z turbulentnymi warunkami przepływu, które zapobiegają stężeniu chlorków na wejściu do wyrobiska. Dla grzejnika obiegowego o prędkości przepływu 1,5-2,0 m/s, tempo wzrostu wżerów wynosi około 0,3-0,5 mm/rok. Maksymalna przewidywana głębokość wżeru wynosi od 1,5 do 2,5 mm w ciągu pięcioletniego projektowego okresu użytkowania. Obliczenia te bezpośrednio wpływają na wybór grubości. Prawdopodobieństwo przebicia ściany o grubości 1,5 mm po pięciu latach byłoby wysokie. Ściana ma grubość 2,0 mm. Po 5 latach rozbudowy studzienki margines bezpieczeństwa wynosi 0,5-1,5 mm. Grubość ścianki 2,5 mm zapewnia większy margines, ale wiąże się z dużymi stratami cieplnymi i kosztami. Niezawodny zakres grubości przy 5-letnim okresie użytkowania wynosi 2,0–2,3 mm.

Rozważania dotyczące równomiernej korozji i ataku szczelinowego

Głównym problemem są wżery, jednakże można zmierzyć równomierną korozję w 40% solance chlorku wapnia w temperaturze 90 stopni. Opublikowane badania utraty masy wykazują szybkość korozji wynoszącą 0,05–0,12 mm/rok w warunkach płynięcia i są spójne. Przez 5 lat obserwuje się równomierny spadek od 0,25 do 0,60 mm. Uszkodzenie to zmniejsza efektywną grubość ścianki dostępną w celu przeciwstawienia się penetracji wżerów. Jednolita szybkość korozji wynosząca 0,10 mm/rok przez 5 lat na ścianie o grubości 2,0 mm pozostawia warstwę o grubości 1,5 mm przed rozpoczęciem wżerów. Wgłębienie rozszerzające się w tempie 0,4 mm rocznie przez pięć lat osiągnęłoby głębokość 2,0 mm, perforując ścianę. Połączenie stałych strat i wżerów oznacza, że ​​ścianka o grubości 2,0 mm jest bliska granicy niezawodności przez cały pięcioletni okres użytkowania. Atak szczelinowy na uszczelkach kołnierzowych, połączeniach gwintowanych i osadach pod osadami kamienia nabiera dodatkowego wymiaru. W szczelinach solanki chlorku wapnia może wystąpić miejscowa korozja o szybkości 0,5–1,0 mm rocznie. Z tego powodu podgrzewacze obiegowe solanki powinny mieć konstrukcję spawaną, a nie gwintowaną, a jeśli to możliwe, należy unikać uszczelek.

Wydajność cieplna grubych ścian Koszt grubych ścian

Przewodność cieplna 40% solanki z chlorku wapnia wynosi około 0,55 W/m·K w temperaturze 90 stopni, znacznie mniej niż woda (0,68 W/m·K). Zatem współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła w przepływie turbulentnym jest mniejszy, zwykle 600-1000 W/m²·K w porównaniu do 1500-2500 W/m²·K dla wody. Zatem opór cieplny płaszcza ma większy udział w całkowitym obwodzie cieplnym niż w przypadku wody. W przypadku rury o średnicy zewnętrznej 12 mm opór elektryczny wzrasta o około 0,004 m²·K/W wraz ze wzrostem grubości ścianki z 1,5 mm do 2,5 mm. Ten zwiększony opór zwiększa temperaturę płaszcza o 8-10 stopni dla typowej gęstości watów grzejnika obiegowego wynoszącej 7-8 W/cm2. Przy ściance o grubości 2,5 mm temperaturę płaszcza można zwiększyć do 110-115 stopni dla temperatury masy wynoszącej 90 stopni. Szybkość wżerów w tych temperaturach wzrosła o około 50-100% w porównaniu z szybkością 100 stopni. Zwiększona grubość ścianki w celu zapewnienia odporności na korozję może sprzyjać wżerom w wyniku efektu cieplnego. W rezultacie uzyskuje się okno o optymalnej grubości, wystarczająco cienkie, aby zachować temperaturę osłony<105°C, but thick enough to permit pitting. The optimum range for most calcium chloride circulation systems is 2.0 to 2.2 mm.

Zalecenia dotyczące grubości dla różnych warunków pracy, niezawodne

W przypadku grzejnika obiegowego wypełnionego 40% solanką chlorku wapnia, o temperaturze 90 stopni i ciśnieniu 5 barów, z przepływem turbulentnym (Re > 10 000) i projektowanym okresem użytkowania wynoszącym pięć lat, niezawodna grubość płaszcza wynosi 2,0-2,2 mm. Grubość ta pozwala na naddatek na wżery wynoszący 1,0-1,5 mm po pięciu latach jednolitej korozji, przy założeniu tempa wzrostu wżerów wynoszącego 0,4 mm rocznie. Wystarczające na projektowany okres użytkowania wynoszący 3 lata. 1,6–1,8 mm. Jest to 2,5–2,8 mm na projektowany okres użytkowania wynoszący 10 lat, ale straty cieplne stają się znaczne. Aktualizacja do wyższego stopu, takiego jak 316Ti lub 317L, może być bardziej opłacalna. W przypadku systemów z przepływem laminarnym lub strefami martwymi o większym współczynniku wżerów grubość należy zwiększyć o 0,3–0,5 mm. W przypadku systemów wykorzystujących odpowietrzoną solankę (rozpuszczony tlen poniżej 100 ppb) szybkość wżerów zmniejsza się do 0,1–0,2 mm rocznie i może zostać zmniejszona do 1,5–1,8 mm przez okres pięciu lat.

Praktyczne środki projektowe, które zmniejszają wymagania dotyczące grubości

Dostępne są różne rozwiązania konstrukcyjne umożliwiające zmniejszenie wymaganej grubości osłony bez uszczerbku dla niezawodności. Po pierwsze, zarządzanie przepływem: narzucono minimalną prędkość przepływu 1,5 m/s, aby uniknąć stagnacji warstwy granicznej i dwukrotnie zminimalizować prędkość wżerów.. 2. Odpowietrzanie: Płaszcz azotowy nad zbiornikiem wyrównawczym zmniejsza zawartość rozpuszczonego tlenu z 8 ppm do mniej niż 0,5 ppm, przy znacznym ograniczeniu wżerów i stałej szybkości korozji. Po trzecie, dodanie inhibitorów. Chromian sodu lub molibdenian sodu w stężeniu 200-500 ppm znacznie zwiększa odporność na wżery i umożliwia zmniejszenie grubości o 0,3-0,5 mm. Po czwarte, wykończenie powierzchni. Rury polerowane elektrolitycznie mają mniej miejsc inicjacji wżerów i mniejsze tempo wzrostu wżerów niż rury polerowane mechanicznie. Ściana elektropolerowana o grubości 1,8 mm może działać lepiej niż ściana rysowana o grubości 2,2 mm.

Wniosek: Niezawodna grubość solanki chlorku wapnia

Stwierdzono, że grubość osłony wynosząca 2,0–2,2 mm jest niezawodna w przypadku pięcioletniego projektowego okresu użytkowania grzejników obiegowych 316 SS w turbulentnych, napowietrzonych warunkach, dla 40% solanki chlorku wapnia w temperaturze 90°C i pod ciśnieniem 5 barów. Grubość ta jest kompromisem pomiędzy naddatkiem na wżery, jednolitym marginesem korozji i wydajnością cieplną. Ściany cieńsze niż 1,8 mm mogą ulec perforacji w ciągu 3 lat. Grubsze ścianki powyżej 2,5 mm podnoszą temperaturę powłoki do obszaru, w którym wżery przyspieszają, a powroty maleją. Najbardziej niezawodna specyfikacja obejmuje nie tylko grubość, ale także specyfikacje dotyczące minimalnej prędkości przepływu (1,5 m/s), wykończenia powierzchni (elektropolerowanie) i tam, gdzie to możliwe, kontroli poziomu rozpuszczonego tlenu. Podczas definiowania inżynierowie powinni wskazać projektowaną trwałość w latach oraz reżim przepływu. Dzięki temu decyzja o grubości nie jest domysłem, lecz staje się obliczeniami wykorzystującymi opublikowane dane dotyczące korozji i modelowania termicznego, zapewniającymi niezawodną długoterminową wydajność w jednym z bardziej problematycznych warunków zasolenia dla stali nierdzewnej 316.