Kāds ir pārbaudītais apvalka biezums 316 nerūsējošā tērauda plūsmas sildītājiem 50% propilēnglikolā ar 2000 ppm hlorīdiem 90 grādu leņķī un zemas plūsmas apstākļos

Pamatatlaide{0}}glikola inhibīcijai ar hlorīdu piesārņojumu

Propilēnglikols (PG) ir izvēlēts siltuma pārneses šķidrums pārtikas pārstrādē, farmācijas ražošanā un alus darīšanā, kur etilēnglikola toksicitāte ir nepieņemama. 50% PG šķīdums ūdenī nodrošina labu aizsardzību pret sasalšanu līdz aptuveni -35 C, kā arī darbojas kā korozijas inhibitors, ja tas ir pareizi sagatavots. Tomēr rūpnieciskajās PG ķēdēs hlorīdi mēdz nonākt ķēdē no vairākiem avotiem, piemēram, tīrīšanas līdzekļu paliekām, dzesēšanas torņa ūdens infiltrācijas caur siltummaiņiem vai vienkārša (nemīkstināta) kosmētiskā ūdens izmantošanas. PG zaudē savu aizsardzību pret koroziju pie 2000 ppm hlorīda līmeņa, kas ir līmenis, ko parasti novēro slikti uzturētās sistēmās vai sistēmās ar jūras ūdens noplūdi. 90 grādu darba temperatūrā un zemas plūsmas apstākļos, kas veicina robežslāņa stagnāciju, 316 nerūsējošais tērauds ir pakļauts ievērojamam punktveida un plaisu korozijas riskam. Šajā pielietojumā apvalka biezums nav vienkāršs korozijas pielaides aprēķins, bet gan pārbaudes uzdevums, lai pierādītu, ka izvēlētā siena var izturēt kombinēto hlorīdu iedarbību, paaugstinātu temperatūru un samazinātu siltuma pārnesi zemas plūsmas dēļ.

Punktu veidošanās mehānisms, ko izraisa hlorīds propilēnglikola šķīdumos

2000 ppm hlorīdu 50% propilēnglikola šķīdumā 90 grādu temperatūrā ir agresīva vide pasīvajai plēvei uz 316 nerūsējošā tērauda. Pats propilēnglikols ir vāji inhibējošs, taču tā inhibīcijas mehānisms ir atkarīgs no glikola molekulas adsorbcijas uz metāla virsmas. Pie 90 grādiem adsorbētais slānis ir mazāk efektīvs termiskās kustības dēļ. Hlorīda joni ir ļoti mobili un niecīgi, un tie sacenšas par virsmas atrašanās vietu un izraisa bedrīšu veidošanos vājās vietās, piemēram, sulfīdu ieslēgumos vai skrāpējumos uz virsmas pēc pasīvā pārklājuma pārrāvuma. 316 nerūsējošā tērauda kritiskā punktu veidošanās temperatūra 2000 ppm hlorīda šķīdumā ir aptuveni 50–60 grādi ūdenī vien. Inhibitora glikola klātbūtne paaugstina kritisko bedrīšu temperatūru 50 % propilēnglikola par aptuveni 10–15 grādiem līdz aptuveni 65–75 grādiem. Darba temperatūra ir 90 grādi un tādējādi sistēma tiek darbināta virs kritiskās bedres temperatūras, tāpēc jautājums par bedres iedarbināšanu ir nevis "ja", bet "kad". Kad bedre ir izveidota, tās augšanas ātrumu var paredzēt ar logaritmisku vai lineāru tendenci atkarībā no skābekļa pieejamības un šķīduma pretestības. Publicētie rezultāti 316 nerūsējošajam tēraudam hlorīda piesārņotā glikolā 90 grādu leņķī atklāj bedrīšu augšanas ātrumu 0,2–0,6 mm/gadā aerācijas apstākļos. Tranšeja, kas izplešas ar ātrumu 0,4 mm/gadā, caurdurtu 1,5 mm sienu 3,75 gados sildītājam, kura paredzamais darbības laiks ir 5000 stundas gadā (apmēram 60 % noslodze). 2,0 mm siena to pagarinātu līdz 5 gadiem. Taču šie aprēķini ir balstīti uz vienu bedri, kad faktiski tiek ierosinātas vairākas bedres un kļūmi kontrolē dziļākā.

Zemas plūsmas apstākļu ietekme uz koroziju un tās pastiprināšanu

Šim lietojumam zemas plūsmas apstākļi ir īpaši kaitīgi, jo tie ļauj robežslānim pie apvalka virsmas pārsātināties ar korozijas produktiem un hlorīda joniem. Hlorīdu konvekcija prom no virsmas ir stingri ierobežota, ja plūsmas ātrums ir mazāks par 0,5 m/s. Hlorīda saturs uz metāla virsmas var būt piecas vai desmit reizes lielāks par lielāko daļu, un tādējādi tas ievērojami samazina punktu veidošanās potenciālu. Zema plūsma arī veicina daļēju viršanu vai plēves viršanu apvalka virsmā, ja siltuma plūsma ir spēcīga. Burbuļu veidošanās un sabrukšana mehāniski degradē pasīvo slāni un rada lokāli koncentrētus hlorīda šķīdumus plānā šķidruma plēvē zem burbuļa. Šis mehānisms noved pie raksturīgā "caurumu gredzena" modeļa, kas tiek novērots ap burbuļu veidošanās vietām neveiksmīgos sildītājus. Piemēram, plūsmas sildītājam, kas izgatavots no 316 nerūsējošā tērauda un ko izmanto 90 grādu tilpuma temperatūrā un apvalka vatu blīvumu 7–8 W/cm2, robežslāņa virsmas temperatūra var būt augstāka par 110–120 grādiem pat zemas plūsmas apstākļos. Pie šādām temperatūrām tiek ievērojami pārsniegts kritiskais bedru veidošanās slieksnis, un bedres izplatīšanās ātrums var būt 1-2 mm/gadā. Tāpēc pārbaudītajā biezumā jāņem vērā ne tikai tilpuma hlorīda koncentrācija un temperatūra, bet arī zemas plūsmas lokālā pastiprināšanas ietekme. Biezums, kas šķiet pietiekams lielapjoma iestatījumos, var sabojāties dažu mēnešu laikā, ja plūsma ir mazāka par 0,3 m/s.

Termiskā hidrauliskā mijiedarbība, kas ierobežo maksimālo biezumu

Sienas biezuma, siltuma caurlaidības un zemās plūsmas mijiedarbība nosaka papildu ierobežojumu maksimālajam iespējamajam apvalka biezumam. Palielinoties sienas biezumam, palielinās termiskā pretestība, kas palielina apvalka virsmas temperatūru tai pašai elektroenerģijas ievadei. Pie zemas plūsmas konvekcijas siltuma pārneses koeficients jau ir samazināts -parasti par 300–600 W/m²·K pie 0,3 m/s, salīdzinot ar 1500–2500 W/m²·K pie 2 m/s. Biezāka siena palielina vadošo pretestību sliktas konvekcijas scenārijā. Palielinot 12 mm ārējā diametra caurules sienas biezumu 50 % PG, pie 90 grādiem un ar plūsmas ātrumu 0,3 m/s no 1,2 mm līdz 2,0 mm, apvalka temperatūra palielinās no ~125 grādiem līdz 155 grādiem pie vatu blīvuma 7 W/cm2. Temperatūras paaugstināšanās par 30 grādiem izraisa hlorīda punktveida veidošanās ātruma palielināšanos 3 līdz 5 reizes pēc Arrhenius uzvedības. Biezāka siena, kurai ir paredzēts nodrošināt koroziju, tā vietā padara bedru uzbrukumu tik ātru, ka neto kalpošanas laiks var būt mazāks nekā plānākai, vēsākai sienai. Šī paš-atgriezeniskā atgriezeniskā saite nozīmē, ka zemas-plūsmas un augsta{28}}hlora glikola sistēmās ir optimāls biezuma diapazons, kuru pārsniedzot, vairāk metāla samazina kalpošanas laiku, nevis pagarina to. Pārbaudīti lauka dati gan par alus darītavu, gan pārtikas rūpniecības cirkulācijas sildītājiem liecina, ka lielākajai daļai 50 % PG sistēmu ar hlorīda piesārņojumu optimālais ir no 1,4 līdz 1,8 mm.

Apstiprināti biezuma ieteikumi dažādiem plūsmas režīmiem

Ja var nodrošināt, ka plūsmas ātrums vienmēr ir lielāks par 1,0 m/s, 1,5-1,7 mm biezums nodrošina uzticamu kalpošanu piecus gadus 2000 ppm hlorīdu klātbūtnē. Mērens biezums uztur apvalka temperatūru zem 120 grādiem pie normāla vatu blīvuma, un turbulentā plūsma novērš hlorīda koncentrāciju uz virsmas. Minimālais pārbaudītais biezums ir 1,8–2,0 mm sistēmām ar periodisku plūsmu vai kur plūsma dažās darbības fāzēs var būt mazāka par 0,5 m/s. Šis papildu metāls ir paredzēts ne tik daudz, lai novērstu koroziju, bet gan izturētu strauju punktveida veidošanos, kas rodas zemas plūsmas gadījumos. Tomēr 2,0 mm sienai vatu blīvums jāierobežo līdz 5-6 W/cm2, lai zemas plūsmas gadījumā apvalka temperatūra būtu zem 135 grādiem. Gadījumā, ja nav iespējams samazināt vatu blīvumu telpas vai apkures jaudas ierobežojumu dēļ, biezums jāierobežo līdz 1,5–1,6 mm, lai novērstu korozijas termisko paātrinājumu, un sistēmas īpašniekam ir jāsamierinās ar saīsinātu kalpošanas laiku no trīs līdz četriem gadiem. 316 nerūsējošā viela nav ieteicama sistēmām, kurās plūsma var būt pilnīgi nemainīga biezuma cikla laikā (nulle. Stagnējošos apstākļos lokāla viršana ir neizbēgama, un augsta virsmas temperatūra, hlorīda saturs un mehāniskā burbuļu darbība viena līdz divu gadu laikā izsitīs cauri jebkuram praktiskajam biezumam. Šādos apstākļos ir jānorāda titāna apvalks vai Incoloy 825 sildītājs.

Verifikācija, izmantojot korozijas testus un lauka datus

Trīs pierādījumu avoti, kas apstiprina iepriekš minētos ieteikumus attiecībā uz biezumu, ir: 0,2–0,3 mm/gadā iedobumu dziļums tika novērots maisīšanas testos (liela plūsma) un 0,5–0,8 mm/gadā nesajauktā testos (maza plūsma) 316 nerūsējošā tērauda kuponu laboratorijas iegremdēšanas testēšanas laikā ar 50 % 9 ppm 9 0,9 % PG temperatūrā 20 000 000 °C temperatūrā. Otrkārt, pēc trim līdz pieciem gadiem no ekspluatācijas izņemto cirkulācijas sildītāju lauka pārbaudes pārtikas augu glikola cilpās, kur ziņots par hlorīda līmeni 1500–2500 ppm, liecina, ka vienībām ar 1,5–1,6 mm sienām un turbulentu plūsmu maksimālais bedres dziļums ir 0,4–0,7 mm, atstājot pietiekamu atlikuma sienu. Iekārtām ar 2,0–2,2 mm sienām un vāju caurplūdumu bedres dziļums ir 0,8–1,2 mm nevis tāpēc, ka pret mazāk izturīgu materiālu, bet gan tāpēc, ka palielinātais sienu biezums paaugstināja virsmas temperatūru un paātrināja uzbrukumu. Treškārt, 316 nerūsējošā tērauda elektroķīmiskās polarizācijas skenēšana hlorīda piesārņotā PG 80–100 grādu temperatūrā parāda, ka punktveida potenciāls strauji pazeminās virs 100 grādiem, apstiprinot, ka apvalka temperatūras uzturēšana zem šī sliekšņa ir svarīgāka nekā biezuma pievienošana.

Secinājums: pārbaudīts biezuma diapazons uzticamam pakalpojumam

Ir nepieciešams apstiprināts diapazons apvalka biezuma noteikšanai 316 nerūsējošā tērauda plūsmas sildītājiem 50% propilēnglikola ar 2000 ppm hlorīdiem 90 grādos zemas plūsmas apstākļos, lai līdzsvarotu pretestību pret punktēšanu un termisko paātrinājumu. Labas konstrukcijas sistēmām ar plūsmas ātrumu 1,0 m/s un vatu blīvumu 6-8 W/cm2 1,5–1,7 mm biezums nodrošina apstiprinātu 5 gadu kalpošanas laiku. Sistēmām ar normālas darbības plūsmas ātrumu zem 0,5 m/s, biezums jāpalielina līdz 1,8-2,0 mm, bet tikai tad, ja vatu blīvums vienlaikus tiek samazināts līdz 5-6 W/cm². 316 nerūsējošajam tēraudam nav pieņemama neviena sistēma, kurā var rasties plūsmas stagnācija, neatkarīgi no tā biezuma. Inženieriem, kas nosaka sildītāju šai sarežģītajai videi, ir jānorāda ne tikai sienas biezums, bet arī zemākais pieļaujamais plūsmas ātrums, maksimālais vatu blīvums un verifikācijas metode (kupona pārbaude vai elektroķīmiskā uzraudzība), kas jāievēro ekspluatācijas laikā. Tas maina izmēru pamatprasību pret apstiprinātu korozijas pārvaldības paņēmienu, kas tieši saista sienas biezumu ar pretestību pret iedobēm un termisko veiktspēju ar hlorīdu piesārņotās glikola sistēmās.