Γιατί το ποσοστό βάθους βύθισης ενός θερμαντήρα με φλάντζα από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε ανοιχτές δεξαμενές καθορίζει το σημείο αστοχίας στον αέρα-Διεπαφή νερού

Ζώνη φάσης ατμού: Η πιο διαβρωτική και θερμικά καταπονημένη θέση σε θερμαντήρα με θήκη

Η θέση της πρόωρης αστοχίας των θερμαντήρων εμβάπτισης με φλάντζα από ανοξείδωτο χάλυβα 316 που είναι εγκατεστημένα σε ανοιχτές ή αεριζόμενες δεξαμενές εμφανίζεται με σταθερό, προβλέψιμο τρόπο, στη ζώνη διεπαφής αέρα{1}}του νερού, η οποία είναι συνήθως 20-50 mm πάνω και κάτω από τη μέση στάθμη υγρού. Αυτή η ζώνη υπόκειται σε έναν μοναδικό συνδυασμό μερικής διαβροχής, συγκέντρωσης εξάτμισης διαλυμένων στερεών, θερμικού κύκλου λόγω διαλείπουσας έκθεσης και ενισχυμένης διαθεσιμότητας οξυγόνου. Καθένα από αυτά μεμονωμένα επιταχύνει τη διάβρωση και μαζί παράγουν ποσοστά αστοχίας 5-10 ​​φορές περισσότερο από τα πλήρως βυθισμένα ή πλήρως εκτεθειμένα τμήματα της ίδιας θήκης. Το βάθος βύθισης %, που είναι η αναλογία του μήκους της βυθισμένης θήκης προς το συνολικό θερμαινόμενο μήκος, ελέγχει άμεσα πόσο από την επιφάνεια του θερμαντήρα είναι ενεργό σε αυτήν την επιθετική διεπιφανειακή περιοχή. Αυτό το έγγραφο πραγματεύεται τις θερμοχημικές αρχές που ελέγχουν την επίθεση των διεπαφών και παρουσιάζει ένα πλαίσιο προδιαγραφής βάθους που αυξάνει τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα κατά τάξεις μεγέθους.

Μηχανισμός κυψελών συγκέντρωσης μερικής διαβροχής διεπαφής

Στην περίπτωση μιας θήκης από ανοξείδωτο χάλυβα 316 που διασχίζει τη διεπαφή αέρα-του νερού, η περιοχή ακριβώς πάνω από τη στάθμη του υγρού παραμένει βρεγμένη με μια λεπτή μεμβράνη εξάτμισης και η κάτω περιοχή βυθίζεται πλήρως. Αυτή η διάταξη είναι μια τυπική κυψέλη διαφορικού αερισμού ή συγκέντρωσης. Το πλήρως βυθισμένο τμήμα έχει μειωμένη συγκέντρωση οξυγόνου (περίπου 8-10 ppm σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, μειώνεται με τη θερμοκρασία) και είναι η άνοδος. Το βρεγμένο φιλμ πάνω από την επαφή, εκτεθειμένο σε οξυγόνο περιβάλλοντος (21 % O2), έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση οξυγόνου και είναι η κάθοδος. Το παραγόμενο γαλβανικό ρεύμα διέρχεται μέσω του μετάλλου από τη βυθισμένη άνοδο στην κάθοδο λεπτής μεμβράνης και προκαλεί τη διάλυση του μετάλλου στην άνοδο, που συνήθως βρίσκεται 10-30 mm κάτω από τη στάθμη του στατικού υγρού. Μόνο από αυτό το διαφορικό στοιχείο, ο ρυθμός διάβρωσης είναι 0,2-0,5 mm ετησίως σε διαλύματα ουδέτερου χλωρίου, αρκετός για να τρυπήσει πάχος τοιχώματος 1,5 mm σε 3-7 χρόνια. Αυτή η συσκευή λειτουργεί μόνο για σταθερά επίπεδα υγρών. Τα κυμαινόμενα επίπεδα όπως στην επεξεργασία κατά παρτίδες ή οι δεξαμενές με ποικίλο γέμισμα επιδεινώνουν την επίθεση εκθέτοντας κυκλικά διαφορετικά τμήματα του περιβλήματος στο κελί συγκέντρωσης, εξαπλώνοντας έτσι τη διάβρωση σε μια ευρύτερη ζώνη, αλλά μειώνοντας το χρόνο μέχρι την πρώτη διείσδυση καθώς κάθε τμήμα αντιμετωπίζει επαναλαμβανόμενες ανατροπές ανοδικών καθοδικών συνθηκών.

Εξατμιστικός εμπλουτισμός επιθετικών ειδών στον μηνίσκο

Η συγκέντρωση εξάτμισης είναι η πιο καταστροφική διεπιφανειακή διαδικασία. Κατά την εξάτμιση του νερού από τη λεπτή μεμβράνη στο περίβλημα πάνω από το επίπεδο του υγρού, οι μη-μη πτητικές ουσίες, π.χ. χλωρίδια, θειικά, ιόντα σκληρότητας και οργανικά οξέα, μένουν πίσω και συσσωρεύονται κοντά στον μηνίσκο. Σε λουτρά επιμετάλλωσης, οι μετρήσεις πεδίου έδειξαν ότι οι συγκεντρώσεις χλωρίου στη διεπιφάνεια του αέρα-του νερού είναι έως και 50.000-100.000 ppm, ενώ το διάλυμα δεξαμενής χύδην είναι μόνο 500-1000 ppm. Σε τέτοιες υψηλές συγκεντρώσεις, το δυναμικό διάτρησης του ανοξείδωτου χάλυβα 316 είναι χαμηλότερο από το δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος, επομένως η αυθόρμητη διάτρηση ξεκινά σε ημέρες ή εβδομάδες αντί για χρόνια. Επίσης, το συμπυκνωμένο διάλυμα μειώνει το pH με υδρόλυση χλωριούχων μετάλλων, δημιουργώντας τοπική οξύτητα τόσο χαμηλή όσο pH 2-3 στη θέση του λάκκου. Ο συνδυασμός υψηλού χλωρίου, χαμηλού pH και αυξημένης θερμοκρασίας (το περίβλημα στη διεπαφή συνήθως λειτουργεί στους 80-95 βαθμούς σε δεξαμενές βραστό νερό) παρέχει ένα διαβρωτικό περιβάλλον πιο εχθρικό από οποιοδήποτε βιομηχανικό υγρό χύδην. Το υπόλειμμα που παραμένει μετά την εξάτμιση μπορεί να χαρακτηριστεί ως λευκή, πράσινη ή καφέ κρούστα. Είναι μια δεξαμενή επιθετικών ιόντων που συνεχίζουν να προκαλούν διάβρωση ακόμα και όταν η δεξαμενή έχει αποστραγγιστεί ή η θερμάστρα είναι απενεργοποιημένη.

Θερμικός κύκλος και μηχανική καταπόνηση στο όριο του επιπέδου υγρού

Εκτός από τους ηλεκτροχημικούς μηχανισμούς, το περίβλημα 316 εκτίθεται επίσης σε υψηλή θερμική και μηχανική καταπόνηση στη διεπαφή αέρα-του νερού. Το βυθισμένο μέρος, αφού ενεργοποιηθεί από τη θερμάστρα, μπορεί να μεταδώσει αποτελεσματικά τη θερμότητα στο υγρό και να παραμείνει σχετικά δροσερό (συνήθως 10-30 βαθμούς της θερμοκρασίας του όγκου). Η εκτεθειμένη περιοχή πάνω από το υγρό, ωστόσο, ψύχεται κυρίως με ακτινοβολία και φυσική μεταφορά στον αέρα και έτσι η θερμοκρασία του αυξάνεται σημαντικά, συχνά στους 200-400 βαθμούς ανάλογα με την πυκνότητα ισχύος και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Η κλίση θερμοκρασίας κατά μήκος της επαφής μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 300 μοίρες κατά μήκος 10-20 mm μήκους περιβλήματος. Αυτή η κλίση προκαλεί αναντιστοιχία θερμικής διαστολής: το θερμό μέρος διαστέλλεται περισσότερο από το ψυχρό μέρος, δημιουργώντας έτσι τάσεις εφελκυσμού στη διεπαφή που μπορεί να υπερβούν την αντοχή διαρροής του ανοξείδωτου χάλυβα 316 κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου θέρμανσης. Το ράγισμα λόγω θερμικής κόπωσης προκύπτει από επαναλαμβανόμενη ποδηλασία. Οι τυπικές ρωγμές είναι περιφερειακές και προέρχονται από την εξωτερική επιφάνεια του περιβλήματος και κινούνται προς τα μέσα. Μόλις διεισδύσει ένα ρήγμα στον τοίχο, το ζεστό διαβρωτικό υγρό μέσα στη δεξαμενή εισχωρεί στο ηλεκτρικό διαμέρισμα του θερμαντήρα προκαλώντας άμεση αστοχία γείωσης. Σε θερμαντήρες σταθερής στάθμης με μη ανακυκλώσιμα υγρά, η τάση της θερμικής βαθμίδωσης είναι στατική, αλλά παρόλα αυτά συμβάλλει στη διάβρωση λόγω ερπυσμού και καταπόνησης για μεγάλες χρονικές περιόδους.

Υπολογισμός του ποσοστού ασφαλούς βάθους βύθισης για διάφορες συνθήκες λειτουργίας

Το % βάθος βύθισης ορίζεται ως. 100  L βυθισμένο L ολικό θερμαινόμενο όπου L συνολικά θερμαινόμενο=L βυθισμένο + L εκτεθειμένο περίβλημα. Για θερμαντήρες με φλάντζα από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε υδατική υπηρεσία, η βέλτιστη πρακτική της βιομηχανίας είναι ένα ελάχιστο βάθος βύθισης 75% (δηλ. όχι περισσότερο από το 25% του θερμαινόμενου μήκους εκτίθεται στον αέρα στο ελάχιστο επίπεδο υγρού λειτουργίας). Στο 75 % της βύθισης, η ζώνη διεπιφάνειας είναι ένα μικρό ποσοστό του συνολικού μήκους του περιβλήματος και η βρεγμένη μεμβράνη πάνω από τον μηνίσκο είναι αρκετά λεπτή ώστε να αποτρέπεται η υπερβολική συγκέντρωση εξάτμισης. Με εμβύθιση 50%, ο μισός θερμαντήρας βρίσκεται στην ή κοντά στη διεπαφή και ολόκληρη η ροή θερμότητας συγκεντρώνεται στο πάνω μισό της θήκης, αυξάνοντας σημαντικά τον ρυθμό επίθεσης στη διεπαφή. Η σχέση μεταξύ του βάθους βύθισης, της συγκέντρωσης χύδην χλωρίου και της προβλεπόμενης διεπαφής-περιορισμένης διάρκειας ζωής του θερμαντήρα φαίνεται στον παρακάτω πίνακα.

Ελάχιστο βάθος βύθισης (% του θερμαινόμενου μήκους) Συγκέντρωση χλωριούχου όγκου (ppm) Αναμενόμενη διάρκεια ζωής πριν από τη διάτρηση της διεπαφής (έτη) Λειτουργία κύριας αποτυχίας Προτεινόμενη ενέργεια μεγαλύτερη από ή ίση με 85 Οποιαδήποτε 8-12 Ελάχιστη διεπαφή, ευρεία διάβρωσηΒέλτιστη μακροζωία
75‑85 <500 5‑8 Meniscus pitting Standard industrial specification 
75‑85 500‑2000 3-5 Beading συγκέντρωσης εξάτμισης Αποδεκτό με ημι-ετήσιο έλεγχο (με ή χωρίς επιθεώρηση)
60-75 <200 3-5 Thermal fatigue + pitting Marginal; consider automatic level control
60-75 200-1000 1-2 Γρήγορη διάνοιξη μηνίσκου. Δεν έχει σχεδιαστεί για συνεχή λειτουργία
50‑60 6-18 μήνες Οποιαδήποτε Συνδυασμένη συγκέντρωση κυττάρων + θερμική κόπωση Αποφύγετε. μεταφέρετε τη δεξαμενή ή τη θερμάστρα<50Any<6 monthsSevere interface assault, early perforation.Not valid for any water services
Τροποποιήσεις πρακτικού σχεδιασμού για τον μετριασμό της επίθεσης διεπαφής

Όπου οι περιορισμοί διαδικασίας δεν επιτρέπουν 75% ελάχιστη εμβάπτιση, πολλές τεχνικές προσαρμογές μετριάζουν τη σοβαρότητα της επίθεσης διεπαφής. Το πρώτο είναι η εφαρμογή ενός συστήματος ελέγχου στάθμης το οποίο διατηρεί τη στάθμη του υγρού σε μια σφιχτή ζώνη (±25 mm) έτσι ώστε η διεπαφή να μην διασχίζει μια ευρεία περιοχή θήκης. Το δεύτερο είναι η τοποθέτηση ενός φρεατίου ή διαφράγματος που ελαχιστοποιεί την επιφανειακή αναταραχή και τη δράση των κυμάτων, μειώνοντας έτσι το πάχος της εξατμιστικής απόθεσης στο εκτεθειμένο περίβλημα. Η τρίτη και πιο ωφέλιμη αλλαγή είναι η χρήση μιας μεγαλύτερης θερμάστρας με χαμηλότερη πυκνότητα ισχύος, η οποία κατανέμει την ίδια ισχύ σε μια ευρύτερη διαβρεγμένη περιοχή και έτσι μειώνει τη θερμοκρασία του περιβλήματος στη διεπαφή. Για παράδειγμα, η αντικατάσταση ενός θερμαντήρα 6 kW με θερμαινόμενο μήκος 600 mm (βύθιση 68 % σε βάθος νερού 410 mm) με έναν θερμαντήρα 9 kW με θερμαινόμενο μήκος 1200 mm (82 % βύθιση σε βάθος 985 mm, χρησιμοποιώντας βαθύτερη δεξαμενή ή οριζόντια τοποθέτηση) μετακινεί τη διεπαφή από μια περιοχή σοβαρής αστοχίας. Σε υπάρχουσες δεξαμενές όπου δεν είναι δυνατή η βαθύτερη εμβάπτιση, μια βελτίωση χαμηλού κόστους{15}}είναι η κατασκευή του θερμαντήρα με προστατευτικό περίβλημα ή αντικαταστάσιμο θερμοδοχείο στη διεπαφή χρησιμοποιώντας ένα πιο ανθεκτικό στη διάβρωση κράμα όπως το Inconel 625 ή τιτάνιο για τα κορυφαία 150 mm.

Συμπέρασμα: Το βάθος βύθισης ως παράμετρος αξιοπιστίας που δεν είναι-διαπραγματεύσιμη

Η διεπαφή αέρα-με νερό σε μια μερικώς βυθισμένη φλάντζα από ανοξείδωτο ατσάλι 316 είναι κάτι περισσότερο από μια περιοχή όχλησης, είναι η τοποθεσία όπου οι ηλεκτροχημικές, θερμικές και μηχανικές διεργασίες αστοχίας συνδυάζονται για να παρέχουν τη μικρότερη διάρκεια ζωής σε ολόκληρο το θερμαντικό στοιχείο. Ο κανόνας σχεδιασμού που επεκτείνει καλύτερα τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα σε ανοιχτές δεξαμενές είναι να διατηρείται ένα ελάχιστο βάθος βύθισης 75% του θερμαινόμενου μήκους στη χαμηλότερη προβλεπόμενη στάθμη υγρού. Σε κάθε εφαρμογή όπου οι συνθήκες διεργασίας απαγορεύουν αυτό το βάθος, οι μηχανικοί πρέπει είτε να αποδεχτούν σημαντικά μειωμένες ζωές (12{7}}24 μήνες αντί για 5-10 χρόνια) είτε να υιοθετήσουν αντισταθμιστικές μεθόδους όπως έλεγχος στάθμης, μειωμένη πυκνότητα ισχύος ή βελτιώσεις κράματος περιοχής διεπαφής. Όταν ζητούν προσφορές για θερμαντήρες εμβάπτισης με φλάντζα, οι αγοραστές θα πρέπει να προσδιορίζουν τα ελάχιστα, κανονικά και μέγιστα επίπεδα υγρού σε σχέση με το μήκος του θερμαινόμενου περιβλήματος και να απαιτούν από τον προμηθευτή να επιβεβαιώσει ότι ο προτεινόμενος σχεδιασμός πληροί την οδηγία εμβάπτισης 75% για την προβλεπόμενη χημεία υγρών. Το σύστημα που παρουσιάζεται εδώ παρέχει στους καταναλωτές τη δυνατότητα να αποφύγουν την πιο κοινή αιτία πρόωρης βλάβης του θερμαντήρα σε εγκαταστάσεις ανοιχτής δεξαμενής συσχετίζοντας το βάθος βύθισης με τους αναμενόμενους τύπους αστοχίας.