Jaka jest zweryfikowana grubość płaszcza dla podgrzewaczy przepływowych ze stali nierdzewnej 316 w 50% glikolu propylenowym z zawartością chlorków 2000 ppm w temperaturze 90 stopni i przy niskim przepływie

Podstawowy kompromis-w zakresie hamowania glikolu i zanieczyszczenia chlorkami

Glikol propylenowy (PG) jest płynem przenoszącym ciepło z wyboru w przetwórstwie żywności, produkcji farmaceutycznej i zastosowaniach browarniczych, gdzie toksyczność glikolu etylenowego jest niedopuszczalna. 50% roztwór PG w wodzie zapewnia dobrą ochronę przed zamarzaniem do około -35 C, a także działa jako inhibitor korozji, jeśli jest prawidłowo przygotowany. Jednakże w przemysłowych obwodach PG chlorki zwykle przedostają się do obiegu z wielu źródeł, takich jak pozostałości środków czyszczących, infiltracja wody z wieży chłodniczej przez wymienniki ciepła lub użycie zwykłej (niezmiękczonej) wody uzupełniającej. PG traci ochronę przed korozją przy poziomie chlorków 2000 ppm, który jest poziomem zwykle obserwowanym w źle konserwowanych systemach lub systemach, w których występuje wyciek wody morskiej. Przy temperaturze roboczej 90 stopni i warunkach niskiego przepływu sprzyjających stagnacji warstwy granicznej, stal nierdzewna 316 jest narażona na znaczne ryzyko korozji wżerowej i szczelinowej. W tym zastosowaniu grubość osłony nie jest prostym obliczeniem naddatku na korozję, ale ćwiczeniem weryfikacyjnym mającym na celu wykazanie, że wybrana ściana może wytrzymać łączny atak chlorków, podwyższoną temperaturę i zmniejszoną wymianę ciepła z powodu niskiego przepływu.

Mechanizm wżerów wywołanych chlorkami w roztworach glikolu propylenowego

2000 ppm chlorków w 50% roztworze glikolu propylenowego w temperaturze 90 stopni stanowi agresywne środowisko dla warstwy pasywnej na stali nierdzewnej 316. Sam glikol propylenowy jest słabo hamujący, jednak jego mechanizm hamowania zależy od adsorpcji cząsteczki glikolu na powierzchni metalu. Przy 90 stopniach zaadsorbowana warstwa jest mniej wydajna ze względu na ruch termiczny. Jony chlorkowe są bardzo mobilne i drobne, konkurują o lokalizację na powierzchni i powodują wżery w słabych punktach, takich jak wtrącenia siarczkowe lub zadrapania na powierzchni po naruszeniu powłoki pasywnej. Krytyczna temperatura wżerów stali nierdzewnej 316 w roztworze chlorku o stężeniu 2000 ppm wynosi około 50-60 stopni w samej wodzie. Obecność glikolu-inhibitora podnosi krytyczną temperaturę wżerów w 50% glikolu propylenowym o około 10–15 stopni do około 65–75 stopni. Temperatura robocza wynosi 90 stopni, w związku z czym system pracuje powyżej krytycznej temperatury wżerów, zatem kwestią inicjacji wżeru nie jest pytanie „czy”, ale „kiedy”. Po utworzeniu wgłębienia tempo jego wzrostu można przewidzieć na podstawie trendu logarytmicznego lub liniowego, w zależności od dostępności tlenu i rezystywności roztworu. Opublikowane wyniki dla stali nierdzewnej 316 w glikolu zanieczyszczonym chlorkami w temperaturze 90 stopni pokazują tempo wzrostu wżerów na poziomie 0,2–0,6 mm/rok w warunkach napowietrzonych. Rów rozszerzający się z szybkością 0,4 mm/rok przebiłby ścianę o grubości 1,5 mm w ciągu 3,75 roku w przypadku grzejnika o przewidywanym czasie pracy wynoszącym 5000 godzin rocznie (około 60% obciążenia). Ściana o grubości 2,0 mm wydłużyłaby ten czas do 5 lat. Jednakże obliczenia te opierają się na jednym wgłębieniu, podczas gdy w rzeczywistości inicjowanych jest kilka wgłębień, a awaria jest kontrolowana przez najgłębszy.

Wpływ warunków niskiego przepływu na korozję i jej wzmocnienie

W tym zastosowaniu warunki niskiego przepływu są szczególnie szkodliwe, ponieważ umożliwiają przesycenie warstwy granicznej na powierzchni osłony produktami korozji i jonami chlorkowymi. Konwekcja chlorków z powierzchni jest silnie ograniczona dla prędkości przepływu mniejszych niż 0,5 m/s. Zawartość chlorków na powierzchni metalu może być pięć do dziesięciu razy większa niż w masie, co znacznie zmniejsza ryzyko wżerów. Niski przepływ sprzyja również częściowemu wrzeniu lub wrzeniu filmowemu na powierzchni osłony, gdy strumień ciepła jest silny. Tworzenie się i zapadanie pęcherzyków mechanicznie degraduje warstwę pasywną i tworzy lokalnie stężone roztwory chlorków w cienkiej warstwie cieczy pod pęcherzem. Mechanizm ten prowadzi do charakterystycznego wzoru „pierścienia wżerowego”, który obserwuje się wokół miejsc zarodkowania pęcherzyków w uszkodzonych grzejnikach. Na przykład w przypadku grzejnika przepływowego wykonanego ze stali nierdzewnej 316 stosowanego w temperaturze objętościowej wynoszącej 90 stopni i gęstości watowej płaszcza wynoszącej 7-8 W/cm2 temperatura powierzchni warstwy granicznej może być wyższa niż 110-120 stopni nawet w warunkach niskiego przepływu. W tych temperaturach krytyczny próg wżerów jest znacznie przekroczony, a tempo rozprzestrzeniania się wżerów może wynosić 1-2 mm/rok. Zweryfikowana grubość musi zatem uwzględniać nie tylko stężenie chlorków w masie i temperaturę, ale także miejscowy wpływ wzmocnienia przy niskim przepływie. Grubość, która wydaje się wystarczająca w przypadku zastosowań masowych, może zaniknąć w ciągu kilku miesięcy, gdy przepływ spadnie poniżej 0,3 m/s.

Interakcje termiczno-hydrauliczne ograniczające maksymalną grubość

Wzajemne oddziaływanie grubości ścianki, przenikania ciepła i niskiego przepływu narzuca dalsze ograniczenie maksymalnej możliwej grubości osłony. Wraz ze wzrostem grubości ścianki wzrasta opór cieplny, co zwiększa temperaturę powierzchni osłony przy tym samym poborze mocy elektrycznej. Przy niskim przepływie współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła jest już zmniejszony-zazwyczaj 300–600 W/m²·K przy 0,3 m/s w porównaniu z 1500–2500 W/m²·K przy 2 m/s. Grubsza ściana zwiększa opór przewodzący w przypadku złej konwekcji. Zwiększenie grubości ścianki rury o średnicy zewnętrznej 12 mm w 50% PG, pod kątem 90 stopni i przy prędkości przepływu 0,3 m/s z 1,2 mm do 2,0 mm zwiększa temperaturę płaszcza z ~125 stopni do 155 stopni przy gęstości watów wynoszącej 7 W/cm2. Wzrost temperatury o 30 stopni powoduje 3 do 5-krotny wzrost szybkości wżerów chlorkowych w następstwie zachowania Arrheniusa. Grubsza ściana, która ma zapewniać naddatek na korozję, zamiast tego powoduje, że atak wżerów jest tak szybki, że żywotność netto może być krótsza niż w przypadku cieńszej, chłodniejszej ściany. Ta-samoistna pętla sprzężenia zwrotnego oznacza, że ​​w układach glikolowych o niskim-przepływie i wysokich-chlorkach istnieje optymalny zakres grubości, powyżej którego większa ilość metalu raczej skraca żywotność niż ją wydłuża. Zweryfikowane dane terenowe dotyczące nagrzewnic obiegowych dla browarów i przemysłu spożywczego wskazują, że optymalna wartość wynosi od 1,4 do 1,8 mm dla większości systemów z 50% zawartością PG i zanieczyszczeniem chlorkami.

Potwierdzone zalecenia dotyczące grubości dla różnych reżimów przepływu

Tam, gdzie można zapewnić, że prędkość przepływu będzie zawsze wyższa niż 1,0 m/s, grubość 1,5–1,7 mm zapewnia niezawodną pracę przez pięć lat w obecności 2000 ppm chlorków. Umiarkowana grubość utrzymuje temperaturę powłoki poniżej 120 stopni przy normalnej gęstości watów, a turbulentny przepływ zapobiega koncentracji chlorków na powierzchni. Minimalna zweryfikowana grubość wynosi 1,8–2,0 mm w przypadku systemów z przepływem przerywanym lub w których przepływ może być mniejszy niż 0,5 m/s w niektórych fazach operacyjnych. Ten dodatkowy metal nie tyle zapewnia naddatek na korozję, ile wytrzymuje szybkie wżery, które występują podczas zdarzeń związanych z niskim przepływem. Jednakże w przypadku ściany o grubości 2,0 mm gęstość watów musi być ograniczona do 5-6 W/cm2, aby utrzymać temperaturę płaszcza poniżej 135 stopni przy niskim przepływie. Jeżeli zmniejszenie gęstości watów nie jest możliwe ze względu na przestrzeń lub ograniczenia wydajności grzewczej, grubość musi być ograniczona do 1,5–1,6 mm, aby zapobiec przyspieszeniu termicznemu korozji, a właściciel systemu musi zaakceptować skrócenie okresu użytkowania o trzy do czterech lat.. 316 Nie zaleca się stosowania stali nierdzewnej w systemach, w których przepływ może być całkowicie stagnacyjny (zero prędkości) podczas cykli ogrzewania, niezależnie od grubości. W warunkach stagnacji miejscowe wrzenie jest nieuniknione, a wysoka temperatura powierzchni, zawartość chlorków i działanie pęcherzyków mechanicznych powodują przebicie się przez dowolną praktyczną grubość w ciągu jednego do dwóch lat. W takich okolicznościach należy zastosować osłonę tytanową lub grzejnik Incoloy 825.

Weryfikacja poprzez badania korozji i dane terenowe

Trzy źródła dowodów potwierdzających powyższe zalecenia dotyczące grubości to: Głębokość wżerów wynosząca 0,2–0,3 mm/rok zaobserwowano w testach z mieszaniem (wysoki przepływ) i 0,5–0,8 mm/rok w testach bez mieszania (mały przepływ) podczas laboratoryjnych testów zanurzeniowych próbek ze stali nierdzewnej 316 w 50% PG z 2000 ppm NaCl w temperaturze 90 stopni. Po drugie, inspekcje w terenie nagrzewnic obiegowych wycofanych z eksploatacji po trzech do pięciu latach w pętlach glikolu w zakładach spożywczych, gdzie zgłoszono poziom chlorków na poziomie 1500–2500 ppm, wykazały, że jednostki o ściankach 1,5–1,6 mm i przepływie turbulentnym mają maksymalną głębokość wżerów wynoszącą 0,4–0,7 mm, pozostawiając wystarczającą ściankę resztkową. Jednostki o ściankach o grubości 2,0–2,2 mm i słabym przepływie mają głębokość wgłębień 0,8–1,2 mm nie ze względu na mniej odporny materiał, ale dlatego, że zwiększona grubość ścianki zwiększa temperaturę powierzchni i przyspiesza atak. Po trzecie, elektrochemiczne skany polaryzacji stali nierdzewnej 316 w PG zanieczyszczonym chlorkami w temperaturze 80–100 stopni pokazują, że potencjał wżerów gwałtownie spada powyżej 100 stopni, co potwierdza, że ​​utrzymywanie temperatury osłony poniżej tego progu jest ważniejsze niż zwiększanie grubości.

Wniosek: zweryfikowany zakres grubości zapewniający niezawodną obsługę

Aby zrównoważyć odporność na wżery i przyspieszenie termiczne, wymagany jest zatwierdzony zakres do określania grubości osłony grzejników przepływowych ze stali nierdzewnej 316 w 50% glikolu propylenowym z 2000 ppm chlorków w temperaturze 90 stopni w warunkach niskiego przepływu. W przypadku systemów o dobrej konstrukcji, z prędkościami przepływu 1,0 m/s i gęstością watów 6-8 W/cm2, grubość 1,5-1,7 mm zapewnia potwierdzoną żywotność 5 lat. W przypadku systemów o normalnym przepływie roboczym poniżej 0,5 m/s grubość należy zwiększyć do 1,8-2,0 mm, ale tylko wtedy, gdy gęstość watowa zostanie jednocześnie zmniejszona do 5-6 W/cm². Żaden system, w którym może wystąpić stagnacja przepływu, nie jest akceptowalny dla stali nierdzewnej 316, niezależnie od jej grubości. Inżynierowie dokonujący specyfikacji grzejnika dla tego trudnego środowiska muszą określić nie tylko grubość ścianki, ale także najniższą dopuszczalną prędkość przepływu, maksymalną gęstość watów oraz metodę weryfikacji (test kuponowy lub monitorowanie elektrochemiczne), której należy przestrzegać podczas serwisu. Zmienia to podstawowe wymagania wymiarowe na zwalidowaną technikę zarządzania korozją, która bezpośrednio wiąże grubość ścianki z odpornością na wżery i wydajnością cieplną w układach glikolowych zanieczyszczonych chlorkami.