Kāds ir inženiertehniskais pamatojums 1,2 mm pret 2,0 mm apvalka biezumam 316 nerūsējošā tērauda katlu ūdens iegremdēšanas sildītājos 150 grādu un 6 bar

Augstas temperatūras spiediena ūdens pakalpojums: pamata tirdzniecība-atlaide

Viens no skarbākajiem apstākļiem jebkuram metāla apvalka materiālam ir katlu ūdens iegremdēšanas sildītāji. Ūdens ir šķidrs 150C un 6 bāru spiedienā, bet tuvu tā piesātinājuma līknei, tāpēc jebkura lokalizēta temperatūras novirze apvalka virsmā var izraisīt kodolu viršanu vai pat plēves vārīšanos. Šādos apstākļos ar pareizi pārvaldītu ūdens ķīmiju 316 nerūsējošajam tēraudam ir atbilstoša vispārējā izturība pret koroziju. Tomēr divi atteices mehānismi kļūst svarīgi. Sprieguma korozijas plaisāšana no koncentrētiem hidroksīdiem un bedres no jebkādas hlorīdu iekļūšanas. Apvalka biezuma 1,2 mm un 2,0 mm izvēle nav izvēles jautājums. Katrs skaitlis atspoguļo atšķirīgu inženierijas filozofiju ar dažādiem skaidrojumiem, pamatojoties uz spiediena ierobežošanu, korozijas pielaidi, termisko reakciju un viršanas režīma kontroli. Šis pētījums parāda katra biezuma varianta inženiertehnisko pamatojumu un identificē apstākļus, kādos viens nepārprotami pārsniedz otru.

Spiediena saglabāšanas pamatojums pie 6 bāriem, 150 grādi

Stīpas spriegums 316 nerūsējošā tērauda apvalkā pie darba spiediena 6 bar (manometrs) tiek aprēķināts, izmantojot plānās -sienu cilindra formulu. Caurules iekšējais rādiuss ar 12 mm ārējo diametru un 1,2 mm biezumu ir 4,8 mm. Stīpas spriegums ir spiediena reizinājums iekšējais rādiuss, dalīts ar sienas biezumu: 0,6 MPa reiz 4,8 mm dalīts ar 1,2 mm, ir vienāds ar 2,4 MPa. Sienas biezumam 2,0 mm iekšējais rādiuss ir 4,0 mm un loka spriegums ir 0,6 MPa × 4,0 mm / 2,0 mm=1.2 MPa. Abi skaitļi ir par vairākām kārtām zem 316 nerūsējošā tērauda tecēšanas robežas pie 150 grādiem aptuveni 170 MPa. Spiediena ierobežošana neattaisno biezāku sienu. Pat 1,2 mm sienai ir 70 drošības koeficients pret ražas samazināšanos. Lai nodrošinātu spiedienu pie 6 bāriem, nepieciešamais sienas biezums ir mazāks par 0,3 mm. Tāpēc jebkura biezuma inženiertehniskā bāze ir jābalsta uz citiem iemesliem, nevis uz plīšanas spiediena apsvērumiem.

Kāpēc katlu ūdens ķīmijā ir nepieciešama korozijas piemaksa?

Katla ūdeni parasti apstrādā, lai uzturētu sārmainus apstākļus (pH 9-11) un izvadītu izšķīdušos skābekli, hlorīdus un citas naidīgas vielas. Vispārējais 316 nerūsējošā tērauda korozijas ātrums optimālā ūdens ķīmijā pie 150 grādiem ir diezgan zems, aptuveni 0,005-0,015 mm/gadā. Pastāvīga uzbrukuma gadījumā 1,2 mm siena potenciāli izturētu tikai 80 līdz 240 gadus. Taču oriģinālajām katlu sistēmām ir savi apgrūtināti apstākļi: kondensatora noplūdes rada hlorīdus, slikta ķīmiskā apstrāde izraisa kodīgu koncentrāciju vai skābekļa iekļūšanu apkopes laikā. Tiek lēsts, ka trieciena apstākļos lokalizētās korozijas ātrums ir 0,1–0,3 mm/gadā. Sienas biezums ir 1,2 mm, kas nodrošina, piemēram, 0,6–0,7 mm, pirms tiek sasniegts minimālais konstrukcijas biezums — 0,5 mm. Šī atļauja tiktu iztērēta 3 līdz 4 gadu laikā, ja korozijas ātrums ir 0,2 mm/gadā. 2,0 mm siena nodrošina 1,3–1,4 mm korozijas pielaidi un pagarina izdzīvošanas laiku līdz sešiem līdz astoņiem gadiem. Tātad 2,0 mm sienas katla ūdens apkalpošanas inženiertehniskais iemesls ir nevis normāli ekspluatācijas apstākļi, bet gan izturība pret ūdens ķīmijas traucējumiem. Plānāku sienu var attaisnot objektiem ar labu ūdens attīrīšanas uzraudzību un kontroli. Biezāka siena ir jāpamato kā aizsardzība pret traucējumiem iekārtām ar mainīgu ūdens kvalitāti, biežu kondensatora noplūdi vai ierobežotu ķīmiskās apstrādes darbaspēku.

Vārīšanās režīma un kritiskās biezuma atšķirības kontrole

Unikālākais inženiertehniskais iemesls atšķirībai starp 1,2 mm un 2,0 mm ir katra biezuma mijiedarbība ar viršanas režīmu apvalka virsmā. Pie 150 grādu un 6 bāru spiediena ūdens piesātinājuma temperatūra ir 150 grādi. Sildītāja apvalkam ir jābūt virs tilpuma temperatūras, lai pārnestu siltumu, tāpēc virsmas temperatūra parasti ir 160-180 grādi atkarībā no vatu blīvuma un plūsmas apstākļiem. Šādas temperatūras izraisa kodolu viršanu. Otrais, kodolu viršana, notiek, kad tvaika burbuļi veidojas no kodolu veidošanās vietām uz apvalka virsmas, aug un atdalās, un tas ir ļoti efektīvs siltuma pārnesē. Bet, ja siltuma plūsma ir pārāk liela vai virsmas temperatūra pārsniedz noteiktu vērtību, kodolu viršana mainīsies uz plēves vārīšanu, kur nepārtraukts tvaika slānis izolē apvalku un izraisa strauju temperatūras paaugstināšanos. Sienas biezums ietekmē virsmas temperatūru pie noteikta vatu blīvuma. Ja vatu blīvums ir 12 W/cm 2 uz apvalka virsmas 150 grādu ūdenī, 1,2 mm biezas sienas virsmas temperatūra būs aptuveni 165–170 grādi, kas ir labi iekšā kodolu viršanas režīmā. Ar tādu pašu vatu blīvumu 2,0 mm siena ar paaugstinātu termisko pretestību virza virsmas temperatūru līdz 180-185 grādiem. Tas ir tuvu ūdens kritiskajai siltuma plūsmai šajā spiedienā un temperatūrā. Ja atrodaties tuvāk plēves vārīšanās pārejai, jūs riskējat ātri mainīt temperatūru, ja plūsma samazināsies vai palielinās vatu blīvums. Tādējādi 1,2 mm sienas inženiertehniskā bāze ir labāka siltuma veiktspēja un lielāka rezerve pret plēves viršanu. Plānāka siena uztur zemāku virsmas temperatūru, nodrošinot lielāku vatu blīvumu vai buferi pret procesa traucējumiem.

Katla ūdens koncentrātu jutība pret sprieguma korozijas plaisāšanu

Kaustiskā sprieguma korozijas plaisāšana (CSCC) ir atzīts austenīta nerūsējošā tērauda atteices mehānisms katlu ūdens apstākļos, kur zem nogulsnēm vai ūdenslīnijas ir vietēja kodīga koncentrācija. Jutība pret CSCC palielinās līdz ar temperatūru un nātrija hidroksīda koncentrāciju. 316 nerūsējošā tērauda CSCC sliekšņa spriegums ir aptuveni 150-200 MPa pie 150 grādiem atšķaidītos kodīgos šķīdumos, taču tas strauji samazinās, palielinoties temperatūrai. Sildītāja apvalkā ir divi atlikušā stiepes sprieguma avoti: iekšējais spiediena spriegums (iepriekš norādīts kā minimāls) un ražošanas atlikušie spriegumi no cauruļu vilkšanas un liekšanas. Atlikušā loka spriegums izvilktās 316 nerūsējošā tērauda caurulēs parasti ir 50–150 MPa atkarībā no aukstā darba pakāpes un caurules atlaidināšanas stāvokļa. 1,2 mm siena ir plānāka, tāpēc pēc vilkšanas tai ir mazāks atlikušais spriegums nekā 2,0 mm sienai. Tas ir tāpēc, ka, lai sasniegtu galīgo dimensiju, ir nepieciešams mazāk aukstā darba. Lauka pieredze liecina, ka plānāku sienu sildītāji ir mazāk pakļauti CSCC ierosināšanai zemāka atlikušā sprieguma un zemākas virsmas temperatūras dēļ, kas samazina kodīgās koncentrācijas ātrumu. 1,2 mm sienas inženiertehniskā bāze ir zemāka raksturīgā jutība pret sprieguma korozijas plaisāšanu tādos pašos ūdens ķīmijas apstākļos.

Termiskā reakcija un sistēmas vadība

Katlu ūdens iegremdēšanas sildītājus parasti izmanto sistēmās, kurām nepieciešama precīza temperatūras kontrole. Apvalka termiskā masa ietekmē reakcijas laiku uz vadības signāliem. 2,0 mm sienā ir par aptuveni 67% vairāk metāla uz garuma vienību nekā 1,2 mm sienai (tādam pašam ārējam diametram, ti, 12 mm caurulei, apvalka šķērsgriezuma laukums palielinās no 40,7 mm² līdz 62,8 mm²). Šis papildu metāls darbojas kā termiskais kondensators, kas palēnina apvalka temperatūras izmaiņu ātrumu, pieliekot vai atņemot jaudu. Sistēmai, kas bieži ieslēdzas un izslēdzas, biezāka siena rada lielākas temperatūras svārstības un garākus nostādināšanas periodus. Vēl svarīgāk ir tas, ka termiskās nobīdes dēļ starp pretestības vadu un apvalka virsmu vadības sistēma, kas reaģē uz termopāri, kas novietota uz apvalka, lēni reaģēs uz stieples temperatūras izmaiņām. Laika konstante siltuma pārejai no stieples uz ārējo virsmu 1,2 mm sienai ir aptuveni 0,5-1,0 sekundes. 2,0 mm sienā šī laika konstante ir 1,5-3,0 sekundes. Šī atšķirība ir neliela lielākajai daļai katlu vadības ierīču, bet augstas precizitātes lietojumiem vai sistēmām ar straujām slodzes izmaiņām plānāka siena nodrošina labāku vadāmību. 1,2 mm sienas inženiertehniskais pamatojums šajos lietojumos ir labāka dinamiskā reakcija un stingrāka temperatūras kontrole.

Inženiertehniskā pamatojuma kopsavilkuma tabula

Apsvērums 1.2mm Apvalks 2.0mm Apvalks
Spiediena ierobežošanas drošības koeficients pie 6 bāriem 70 (izcili) 140 (pārāk izstrādāts)
Korozijas pielaide normālai darbībai 0,6 mm (80+ gadi) 1,4 mm (180+ gadi)
Sajukuma izdzīvošanas laiks (korozijas ātrums 0,2 mm/gadā) 3-4 gadi 6-8 gadi
Virsmas temperatūra pie 12 W/cm2 165-170 grādiem 180-185 grādi
Pārejas robeža uz plēves vārīšanuLiels Mazs
Ražošanas atlikušais spriegums Zemāks (50–100 MPa) Palielināts (80–150 MPa)
CSCCLowerHigher uzsākšanas risks
Termiskās reakcijas laika konstante 0,5 līdz 1,0 sekundes 1,5 līdz 3,0 sekundes
Pamatots Normāls pielietojums Labi kontrolētas sistēmas Augsts vatu blīvums Precīzijas kontrole Konservatīvs dizains Satraukt{0}}sistēmas Mainīgs padeves ūdens
Secinājumi: Tehniskais pamatojums katram biezumam

Šis nav gadījums, kad viens ir labāks par otru. Piemēram, 316 nerūsējošā tērauda katlu ūdens iegremdēšanas sildītāji pie 150 grādiem un 6 bāriem: 1,2 mm vai 2,0 mm apvalka biezums. 1,2 mm siena ir attaisnojama, ja ūdens ķīmija tiek labi kontrolēta un pastāvīgi uzturēta, ja ir nepieciešama augsta vatu blīvuma darbība un ja svarīgs ir termiskās reakcijas laiks. Tas rada zemāku virsmas temperatūru, lielāku rezervi pret plēves viršanu, mazāku atlikušo spriegumu un mazāku uzņēmību pret sprieguma korozijas plaisāšanu. 2,0 mm siena ir garantēta, ja ir sagaidāma ūdens ķīmiskā iedarbība, ilgāks izdzīvošanas laiks un kur saskaņā ar dizaina filozofiju priekšroka tiek dota korozijas pielaidei, nevis termiskajai veiktspējai. Tas nodrošina lielāku metāla rezervi lokalizētam uzbrukumam, bet uz augstākas virsmas temperatūras un, iespējams, lielāka CSCC riska rēķina. Lielākajai daļai pašreizējo katlu sistēmu, kur ķīmiskā apstrāde ir automatizēta un uzraudzība ir pastāvīga, inženiertehniskais pamatojums ir 1,2–1,5 mm diapazonā. 2,0 mm siena ir pietiekami piesardzīga izvēle gados vecākiem augiem, augiem ar mainīgu sastāva ūdens kvalitāti vai apstākļiem, kad sildītāju nav viegli pārbaudīt un nomainīt. Šādos gadījumos inženierim izvēle jāpamato, pamatojoties uz ūdens ķīmijas pārvaldības iespējām, paredzamo traucējumu biežumu un vatu blīvuma vajadzībām, nevis ar nepareizu domu, ka biezāks vienmēr ir drošāks augstas temperatūras spiediena ūdens apkalpošanā.