Ποιο είναι το επαληθευμένο πάχος θήκης για 316 θερμαντήρες ροής από ανοξείδωτο χάλυβα σε 50% προπυλενογλυκόλη με 2000 ppm χλωρίδια στους 90 βαθμούς και συνθήκες χαμηλής ροής

Το βασικό εμπόριο-στην αναστολή γλυκόλης με μόλυνση από χλωρίδιο

Η προπυλενογλυκόλη (PG) είναι το υγρό μεταφοράς θερμότητας της επιλογής σε εφαρμογές επεξεργασίας τροφίμων, φαρμακευτικής παραγωγής και ζυθοποιίας όπου η τοξικότητα της αιθυλενογλυκόλης είναι απαράδεκτη. Ένα διάλυμα PG 50% σε νερό παρέχει καλή αντιψυκτική προστασία σε περίπου -35 C και επίσης λειτουργεί ως αναστολέας διάβρωσης όταν παρασκευάζεται σωστά. Ωστόσο, στα βιομηχανικά κυκλώματα PG τα χλωρίδια τείνουν να εισχωρούν στο κύκλωμα από διάφορες πηγές, όπως υπολειμματικά καθαριστικά, διείσδυση νερού του πύργου ψύξης μέσω εναλλάκτη θερμότητας ή χρήση απλού (μη μαλακωμένου) νερού. Το PG χάνει την αντιδιαβρωτική του προστασία σε επίπεδα χλωρίου 2000 ppm, που είναι ένα επίπεδο που συνήθως παρατηρείται σε κακοσυντηρημένα συστήματα ή συστήματα με διαρροή θαλασσινού νερού. Σε θερμοκρασία λειτουργίας 90 μοιρών και συνθήκες χαμηλής ροής που ευνοούν τη στασιμότητα του οριακού στρώματος, ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 διατρέχει σημαντικό κίνδυνο διάβρωσης με αυλάκια και ρωγμές. Σε αυτήν την εφαρμογή, το πάχος του περιβλήματος δεν είναι ένας απλός υπολογισμός του επιτρεπόμενου ορίου διάβρωσης, αλλά μια άσκηση επαλήθευσης για να αποδειχθεί ότι ο επιλεγμένος τοίχος μπορεί να αντέξει τη συνδυασμένη επίθεση χλωριδίων, αυξημένης θερμοκρασίας και μειωμένης μεταφοράς θερμότητας λόγω χαμηλής ροής.

Μηχανισμός δημιουργίας κοιλωμάτων που προκαλείται από χλωρίδιο σε διαλύματα προπυλενογλυκόλης

Τα 2000 ppm χλωριδίων σε διάλυμα προπυλενογλυκόλης 50% στους 90 βαθμούς είναι ένα επιθετικό περιβάλλον για το παθητικό φιλμ σε ανοξείδωτο χάλυβα 316. Η ίδια η προπυλενογλυκόλη είναι ασθενώς ανασταλτική, ωστόσο ο μηχανισμός αναστολής της εξαρτάται από την προσρόφηση του μορίου της γλυκόλης στην επιφάνεια του μετάλλου. Στις 90 μοίρες το προσροφημένο στρώμα είναι λιγότερο αποτελεσματικό λόγω της θερμικής κίνησης. Τα ιόντα χλωρίου είναι εξαιρετικά ευκίνητα και μικροσκοπικά και ανταγωνίζονται για τοποθεσίες της επιφάνειας και προκαλούν σκασίματα σε αδύναμα σημεία, όπως εγκλείσματα θειούχου ή γρατσουνιές στην επιφάνεια μετά την παραβίαση της παθητικής επίστρωσης. Η κρίσιμη θερμοκρασία διάτρησης του ανοξείδωτου χάλυβα 316 σε διάλυμα χλωριούχου 2000 ppm είναι περίπου 50-60 βαθμούς μόνο στο νερό. Η παρουσία του αναστολέα γλυκόλης αυξάνει την κρίσιμη θερμοκρασία διάτρησης σε 50% προπυλενογλυκόλη κατά περίπου 10-15 βαθμούς σε περίπου 65-75 βαθμούς. Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι 90 μοίρες και έτσι το σύστημα λειτουργεί πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία βύθισης, έτσι ώστε το ζήτημα της εκκίνησης λάκκου δεν είναι "αν" αλλά "πότε". Μόλις σχηματιστεί ένας λάκκος, ο ρυθμός ανάπτυξής του μπορεί να προβλεφθεί με μια λογαριθμική ή γραμμική τάση ανάλογα με τη διαθεσιμότητα οξυγόνου και την ειδική αντίσταση του διαλύματος. Τα δημοσιευμένα αποτελέσματα για τον ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε γλυκόλη μολυσμένη με χλωρίδιο στους 90 βαθμούς αποκαλύπτουν ρυθμούς ανάπτυξης λάκκου 0,2 – 0,6 mm/έτος για συνθήκες αερισμού. Μια τάφρος που επεκτείνεται με ρυθμό 0,4 mm/έτος θα τρυπούσε έναν τοίχο 1,5 mm σε 3,75 χρόνια για μια θερμάστρα με αναμενόμενο χρόνο λειτουργίας 5000 ώρες ετησίως (περίπου 60 % καθήκοντα). Ένας τοίχος 2,0 mm θα το επεκτείνει σε 5 χρόνια. Ωστόσο, αυτοί οι υπολογισμοί βασίζονται σε ένα μόνο λάκκο, όταν στην πραγματικότητα ξεκινά ένας αριθμός λάκκων και η αστοχία ελέγχεται από το βαθύτερο.

Επιδράσεις των συνθηκών χαμηλής ροής στη διάβρωση και την ενίσχυση της

Για αυτήν την εφαρμογή, οι συνθήκες χαμηλής ροής είναι ιδιαίτερα επιζήμιες καθώς επιτρέπουν στο οριακό στρώμα στην επιφάνεια του περιβλήματος να υπερκορεσθεί με προϊόντα διάβρωσης και ιόντα χλωρίου. Η μεταφορά των χλωριδίων μακριά από την επιφάνεια είναι πολύ περιορισμένη για ταχύτητες ροής μικρότερες από 0,5 m/sec. Η περιεκτικότητα σε χλώριο στη μεταλλική επιφάνεια μπορεί να είναι πενταπλάσια ή δέκα φορές μεγαλύτερη από αυτήν του όγκου και έτσι μειώνει σημαντικά το δυναμικό διάτρησης. Η χαμηλή ροή ευνοεί επίσης το μερικό βρασμό ή το βρασμό μεμβράνης στην επιφάνεια του περιβλήματος όταν η ροή θερμότητας είναι ισχυρή. Ο σχηματισμός και η κατάρρευση φυσαλίδων υποβαθμίζουν μηχανικά το παθητικό στρώμα και δημιουργούν τοπικά συγκεντρωμένα διαλύματα χλωρίου στο λεπτό υγρό φιλμ κάτω από τη φυσαλίδα. Αυτός ο μηχανισμός οδηγεί στο χαρακτηριστικό μοτίβο «δακτυλίου διάτρησης» που παρατηρείται γύρω από τις θέσεις πυρήνων φυσαλίδων σε αποτυχημένες θερμάστρες. Για παράδειγμα, για έναν θερμαντήρα ροής από ανοξείδωτο χάλυβα 316 που χρησιμοποιείται σε θερμοκρασία όγκου 90 μοιρών και πυκνότητα περιβλήματος 7-8 W/cm2, η θερμοκρασία επιφάνειας του οριακού στρώματος μπορεί να είναι υψηλότερη από 110-120 μοίρες ακόμη και σε συνθήκες χαμηλής ροής. Σε αυτές τις θερμοκρασίες το κρίσιμο κατώφλι της κοίλωσης ξεπερνιέται πολύ και ο ρυθμός διάδοσης του κοιλώματος μπορεί να είναι 1-2 mm/έτος. Το επαληθευμένο πάχος πρέπει επομένως να λαμβάνει υπόψη όχι μόνο τη συγκέντρωση και τη θερμοκρασία χύδην χλωρίου αλλά και την τοπική επίδραση ενίσχυσης της χαμηλής ροής. Ένα πάχος που φαίνεται επαρκές σε μαζικές ρυθμίσεις μπορεί να σπάσει μέσα σε μήνες όταν η ροή είναι κάτω από 0,3 m/s.

Θερμικές υδραυλικές αλληλεπιδράσεις που περιορίζουν το μέγιστο πάχος

Η αλληλεπίδραση πάχους τοιχώματος, μετάδοσης θερμότητας και χαμηλής ροής επιβάλλει ένα επιπλέον όριο στο μέγιστο πρακτικό πάχος του περιβλήματος. Με την αύξηση του πάχους του τοιχώματος αυξάνεται η θερμική αντίσταση που αυξάνει τη θερμοκρασία της επιφάνειας του περιβλήματος για την ίδια ηλεκτρική ισχύ εισόδου. Σε χαμηλή ροή, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι ήδη μειωμένος-συνήθως 300–600 W/m²·K στα 0,3 m/s σε σύγκριση με 1500–2500 W/m²·K στα 2 m/s. Ένα παχύτερο τοίχωμα αυξάνει την αγώγιμη αντίσταση σε ένα κακό συναγωγικό σενάριο. Η αύξηση του πάχους τοιχώματος ενός σωλήνα εξωτερικής διαμέτρου 12 mm σε 50% PG, στις 90 μοίρες και με ταχύτητα ροής 0,3 m/s από 1,2 mm σε 2,0 mm αυξάνει τη θερμοκρασία του περιβλήματος από ~125 βαθμούς σε 155 βαθμούς σε πυκνότητα watt 7 W/cm2. Η αύξηση της θερμοκρασίας κατά 30 βαθμούς έχει ως αποτέλεσμα 3 έως 5 φορές αύξηση του ρυθμού διάσπασης χλωρίου μετά τη συμπεριφορά του Arrhenius. Το παχύτερο τοίχωμα, το οποίο υποτίθεται ότι προσφέρει περιθώριο διάβρωσης, κάνει την επίθεση με λακκούβες τόσο γρήγορη που η καθαρή διάρκεια ζωής μπορεί να είναι μικρότερη από ό,τι με ένα λεπτότερο, ψυχρότερο τοίχωμα. Αυτός-αυτός ο βρόχος ανάδρασης σημαίνει ότι σε συστήματα χαμηλής-ροής και υψηλής-γλυκόλης χλωριούχου άλατος υπάρχει ένα βέλτιστο εύρος πάχους πέρα ​​από το οποίο περισσότερο μέταλλο μειώνει τη διάρκεια ζωής αντί να την επεκτείνει. Τα επαληθευμένα δεδομένα πεδίου για τους θερμαντήρες κυκλοφορίας τόσο της ζυθοποιίας όσο και της βιομηχανίας τροφίμων δείχνουν ότι η βέλτιστη τιμή είναι μεταξύ 1,4 και 1,8 mm για τα περισσότερα συστήματα PG 50 % με μόλυνση από χλωρίδιο.

Επιβεβαιωμένες συστάσεις πάχους για διάφορα συστήματα ροής

Όπου η ταχύτητα ροής μπορεί να διασφαλιστεί ότι είναι πάντα μεγαλύτερη από 1,0 m/s, ένα πάχος 1,5-1,7 mm παρέχει αξιόπιστη λειτουργία για πέντε χρόνια παρουσία 2000 ppm χλωριδίων. Το μέτριο πάχος διατηρεί τη θερμοκρασία του περιβλήματος κάτω από τους 120 βαθμούς σε κανονικές πυκνότητες watt και η τυρβώδης ροή εμποδίζει τη συγκέντρωση χλωρίου στην επιφάνεια. Το ελάχιστο επαληθευμένο πάχος γίνεται 1,8-2,0 mm για συστήματα με διαλείπουσα ροή ή όπου η ροή μπορεί να γίνει μικρότερη από 0,5 m/s σε ορισμένες λειτουργικές φάσεις. Αυτό το πρόσθετο μέταλλο δεν είναι τόσο για την επιτρεπόμενη διάβρωση όσο για την ταχεία διάβρωση που συμβαίνει κατά τη διάρκεια συμβάντων χαμηλής ροής. Ωστόσο, για τοίχο 2,0 mm, η πυκνότητα watt πρέπει να περιορίζεται στα 5-6 W/cm2 για να διατηρείται η θερμοκρασία του περιβλήματος κάτω από 135 βαθμούς σε χαμηλή ροή. Σε περίπτωση που δεν είναι δυνατή η μείωση της πυκνότητας watt λόγω περιορισμών χώρου ή θέρμανσης, το πάχος πρέπει να περιορίζεται στα 1,5–1,6 mm για να αποφευχθεί η θερμική επιτάχυνση της διάβρωσης και ο ιδιοκτήτης του συστήματος πρέπει να αποδεχθεί μειωμένη διάρκεια ζωής τριών έως τεσσάρων ετών. 316 το ανοξείδωτο δεν προτείνεται για συστήματα όπου η ροή μπορεί να είναι πλήρης πάχος. Υπό στάσιμες συνθήκες, ο τοπικός βρασμός είναι αναπόφευκτος και η υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας, η περιεκτικότητα σε χλώριο και η μηχανική δράση των φυσαλίδων θα διαπεράσουν οποιοδήποτε πρακτικό πάχος σε ένα έως δύο χρόνια. Σε τέτοιες περιπτώσεις θα πρέπει να καθοριστεί μια θήκη τιτανίου ή ένας θερμαντήρας Incoloy 825.

Επαλήθευση μέσω δοκιμών διάβρωσης και δεδομένων πεδίου

Οι τρεις πηγές αποδεικτικών στοιχείων που υποστηρίζουν τις παραπάνω συστάσεις για το πάχος είναι: Βάθη διάτρησης 0,2–0,3 mm/έτος παρατηρήθηκαν σε δοκιμές ανάδευσης (υψηλή ροή) και 0,5–0,8 mm/έτος σε δοκιμές χωρίς ανάδευση (χαμηλή ροή) κατά τη διάρκεια εργαστηριακής δοκιμής εμβάπτισης 316 κουπόνια από ανοξείδωτο χάλυβα 316 %l000 από ανοξείδωτο χάλυβα σε κουπόνια PG 09 %00 σε 05 βαθμούς . Δεύτερον, επιτόπιες επιθεωρήσεις θερμαντήρων κυκλοφορίας που τέθηκαν εκτός λειτουργίας μετά από τρία έως πέντε χρόνια σε βρόχους γλυκόλης φυτών τροφίμων, όπου τα επίπεδα χλωρίου έχουν αναφερθεί στα 1500-2500 ppm δείχνουν ότι οι μονάδες με τοιχώματα 1,5-1,6 mm και τυρβώδη ροή έχουν μέγιστο βάθος λάκκου 0,4-0,7 mm. Οι μονάδες με τοιχώματα 2,0-2,2 mm και κακή ροή έχουν βάθη λάκκου 0,8-1,2 mm όχι λόγω λιγότερο ανθεκτικού υλικού αλλά επειδή το αυξημένο πάχος τοιχώματος ενίσχυσε τη θερμοκρασία της επιφάνειας και επιτάχυνε την επίθεση. Τρίτον, οι σαρώσεις ηλεκτροχημικής πόλωσης από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε μολυσμένο με χλωρίδιο PG στους 80–100 βαθμούς δείχνουν ότι το δυναμικό διάτρησης πέφτει απότομα πάνω από 100 μοίρες επιβεβαιώνοντας ότι η διατήρηση της θερμοκρασίας του περιβλήματος κάτω από αυτό το όριο είναι πιο σημαντική από την προσθήκη πάχους.

Συμπέρασμα: Το επαληθευμένο εύρος πάχους για αξιόπιστη εξυπηρέτηση

Απαιτείται ένα επικυρωμένο εύρος για τον προσδιορισμό του πάχους του περιβλήματος για θερμαντήρες ροής 316 από ανοξείδωτο χάλυβα σε 50% προπυλενογλυκόλη με 2000 ppm χλωριούχα στους 90 βαθμούς σε συνθήκες χαμηλής ροής για την εξισορρόπηση της αντίστασης στο άνοιγμα και της θερμικής επιτάχυνσης. Για συστήματα καλής σχεδίασης, με ταχύτητες ροής 1,0 m/s και πυκνότητες watt 6-8 W/cm2, ένα πάχος 1,5-1,7 mm παρέχει επικυρωμένη διάρκεια ζωής 5 ετών. Για συστήματα με ρυθμό ροής κανονικής λειτουργίας κάτω από 0,5 m/s, το πάχος θα πρέπει να αυξηθεί σε 1,8-2,0 mm, αλλά μόνο εάν η πυκνότητα watt μειωθεί ταυτόχρονα σε 5-6 W/cm². Κανένα σύστημα όπου μπορεί να συμβεί στασιμότητα της ροής δεν είναι αποδεκτό για τον ανοξείδωτο χάλυβα 316, ανεξάρτητα από το πάχος του. Οι μηχανικοί που καθορίζουν έναν θερμαντήρα για αυτό το δύσκολο περιβάλλον πρέπει να καθορίσουν όχι μόνο το πάχος του τοιχώματος, αλλά και τη χαμηλότερη επιτρεπόμενη ταχύτητα ροής, τη μέγιστη πυκνότητα watt και τη μέθοδο επαλήθευσης (δοκιμή κουπονιού ή ηλεκτροχημική παρακολούθηση) που πρέπει να ακολουθείται κατά τη διάρκεια της συντήρησης. Αυτό αλλάζει μια βασική απαίτηση διαστάσεων σε μια επικυρωμένη τεχνική διαχείρισης της διάβρωσης που συνδέει άμεσα το πάχος του τοιχώματος με την αντίσταση στο άνοιγμα και τη θερμική απόδοση σε συστήματα γλυκόλης μολυσμένα με χλωρίδιο.