Як вибрати правильний матеріал оболонки для PTFE теплообмінника в зовнішньому середовищі з високою корозією?

Кожухотрубний теплообмінник із ПТФЕ обробляє чисту некорозійну охолоджуючу воду всередині оболонки, тому звичайна дешева оболонка з вуглецевої сталі виглядає цілком прийнятним вибором. Але цей теплообмінник знаходиться в тіні компресора для газоподібного хлору або поруч з резервуаром для кислоти, де розлив або стійкий, вологий, корозійний дим є щоденною реальністю. Зовнішня сторона оболонки постійно піддається хімічній атаці, яка за кілька місяців почне іржавіти та подрібнити голу сталеву стіну. Вибираючи правильний матеріал оболонки, ми захищаємо обмінник від цього ворога ззовні, з атмосфери.

Ця стаття є практичним керівництвом щодо вибору правильного матеріалу оболонки PTFE теплообмінника для корозійних зовнішніх середовищ, включаючи вартість, довговічність і безпеку.

Проблема зовнішньої корозії часто ігнорується
Внутрішній зосереджений на сумісності рідин
Більша частина інженерної роботи, викладеної на специфікацію теплообмінника з ПТФЕ, спрямована на технологічну рідину, корозійну рідину або газ, які проходять через труби або стінку оболонки. Тому, щоб впоратися з цим внутрішнім агресором, вибирають PTFE підкладку або тверді PTFE труби. На відміну від цього, матеріал оболонки зазвичай вибирається виключно відповідно до вимог щодо механічного тиску та загального припущення про «чисту атмосферу в приміщенні». Однак багато хімічних виробництв, цехів обробки металу та нафтопереробних заводів мають атмосферу, яка є від помірної до сильної корозії через неконтрольовані викиди, аварії або просто надмірну вологість у поєднанні з хлоридами повітря або кислотними туманами.

Ефекти недостатньо визначеної оболонки
Оболонка з вуглецевої сталі, яка цілком прийнятна для сухого внутрішнього середовища, може розпатися протягом кількох місяців під впливом:

Кислотні пари (HCl, H2SO4, HNO3) із суміжних резервуарів або вентиляційних отворів

Пари хлору або брому від водопідготовки або хімічних процесів

Соляний туман (повітря, багате хлоридами, морське узбережжя)

Аміачні або амінні тумани з добрив або нафтохімічних заводів

Агресивні хімічні розливи на поверхні корпусу під час технічного обслуговування або випадкових скидів

Відмова зазвичай починається з точкової корозії, потім загального потоншення стінок і, нарешті, витоку через корпус. Витоки можуть призвести до простою процесу, безпеки та небезпеки для навколишнього середовища. Сталева оболонка теплообмінника має бути покрита власною хімічною бронею, щоб витримати тихе повітряне бомбардування атмосфери підприємства.

Варіанти матеріалів для оболонок
Варіант 1: вуглецева сталь з мінімально хімічно стійкою фарбою
Найдешевшим рішенням є оболонка з вуглецевої сталі (наприклад, SA-516 Gr. 70 або аналогічна), підготовлена ​​(абразивноструминна обробка до Sa 2,5) і покрита високоякісною багатошаровою хімічно стійкою системою фарби. Типовими системами покриття є:

Ґрунтовки на основі епоксидної смоли (двокомпонентні, високоякісні) і верхнє покриття з епоксидної смоли або поліуретану.

Верхнє покриття, модифіковане поліуретаном або фторполімером для кращої хімічної стійкості.

Покриття, навантажені вініловим ефіром або склолусками, піддаються сильному впливу

Навколишнє середовище: м'який, внутрішній, сухий клімат; випадковий ненавмисний вплив не-агресивних парів (наприклад, низький рівень органічних розчинників). Фарба – жертовний бар’єр. Фарби, однак, делікатні. Одна подряпина або потертість можуть почати корозію, яка проїдає покриття, швидко атакуючи сталь. Потребує частих перевірок і-ремонтів. Мінімальним, короткостроковим рішенням у будь-якій ситуації з постійними корозійними випарами або бризками є пофарбована оболонка з вуглецевої сталі.

Варіант 2: нержавіюча сталь 316L (стандартне промислове оновлення)
Стандартним промисловим оновленням для більш надійного, постійного рішення у відомій корозійній атмосфері є тверда оболонка з нержавіючої сталі 316L. 316L (з низьким вмістом вуглецю), що містить молібден (2-3%), що забезпечує виняткову стійкість до:

Хлоридна точкова та щілинна корозія (помірні концентрації)

Розведена сірчана, соляна та фосфорна кислоти (кислотні пари)

Прибережні (соляні) атмосфери

Корпус 316L не потребує фарбування, регулярного догляду за покриттями та ремонту після подряпин чи механічних пошкоджень. Звичайно, він стійкий до корозії ззовні. Для більшості хімічних заводів і для будь-яких установок у межах кількох кілометрів від берегової лінії рекомендований мінімум становить 316 л.

Обмеження: 316L нестійкий до гарячої концентрованої соляної кислоти, сильних відновних кислот або високотемпературних розчинів хлориду (вище приблизно 50-60 градусів з високим рівнем хлориду). Його також пошкоджують нагріті органічні кислоти. Але для нормального зовнішнього атмосферного впливу (навіть сильного) 316L забезпечує хорошу службу.

Преміальна вартість: Вартість снарядів 316L приблизно в 3-5 разів вища, ніж вуглецева сталь на матеріальній основі. Однак вартість терміну експлуатації часто нижча, оскільки не потрібно перефарбовувати чи ремонтувати, пов’язану з корозією.

Варіант 3: армований скловолокном-пластик (FRP) - для екстремальних умов
Для найсуворіших зовнішніх або змішаних кислотних ситуацій, таких як теплообмінник, розташований безпосередньо під вентиляційною трубою для соляної кислоти, або в атмосфері з високим вмістом хлору та високою вологістю з температурами нижче 100 градусів C, остаточним рішенням може бути оболонка з армованого скловолокном пластику (FRP). FRP оболонки складаються зі скляних волокон, зміцнених термореактивною смолою (наприклад, вініловим ефіром, епоксидною смолою або поліефіром). Ключові переваги:

Майже нескінченна стійкість до корозії різними кислотами, лугами, сольовими розчинами та органічними розчинниками (залежно від вибору смоли).

Відсутність гальванічної корозії - FRP не-металевий.

Легка вага - зазвичай становить чверть ваги сталі.

Зовнішня поверхня ніколи не потребуватиме фарбування чи догляду.

Критичні обмеження снарядів FPR:

Обмеження температури - зазвичай 100-120 градусів для вінілового ефіру, нижче для поліефірного. FRP не рекомендується для експлуатації при підвищених температурах.

Pressure limit - FRP shells are designed for lower pressures (usually up to 10 bar, but often less) than steel. FRP is not suitable for high pressure applications (>10 бар).

Горючість - FRP горючий. Він буде горіти, виділяючи дим і отруйні токсини. Місцеві норми можуть забороняти FRP у застосуваннях, де пожежна безпека є серйозною проблемою (наприклад, у житлових будинках або поблизу джерел займання). Вогнезахисні-смоли доступні, але відносно обмежені.

Проникнення - З часом деякі речовини можуть проникнути в шар смоли та пошкодити скляні волокна. Вибір правильної смоли має вирішальне значення.

Механічна міцність - FRP має нижчий модуль і ударостійкість, ніж сталь. Потребує підтримки та захисту від фізичних пошкоджень.

Коли вибрати FRP?

Кислоти зовнішнього середовища, що атакують 316L (наприклад, сильна гаряча HCl, фтористоводнева кислота або комбінації окисних і відновних кислот).

Температура шкаралупи від низької до помірної (менше 100 градусів).

Обладнання розраховане на низький тиск (зазвичай 5–6 бар).

Небезпека пожежі є прийнятною та відповідає місцевому законодавству.

Обмінник розташований у регіоні з високою ймовірністю частих розливів дуже агресивних хімічних речовин.

Матриця відбору для порівняння
Суворість навколишнього середовища Рекомендований матеріал корпусу Індекс вартості (прибл.) Обмеження Необхідне покриття
Атмосфера: суха, чиста, у приміщенні Вуглецева сталь + хімічно стійке епоксидне/уретанове покриття Так (багато-шарове) 1.0 Фарба крихка і потребує регулярного огляду
Інколи кислотні пари, вологий316L SSNo 3-5Нестійкий до гарячих відновних кислот, високотемпературних хлоридів
Прибережна (сольовий туман) нержавіюча сталь 316L (або супер-аустенітна для екстремальних умов) № 3-5 Стандартна 316L може бути в зоні розбризкування з дуже високим вмістом хлориду. Розгляньте дуплекс 2205 для важких
Тумани з помірною -температурою безперервних кислот (HCl, H₂SO₄) Нержавіюча сталь 316L (перевірте конкретну кислоту) або FRP№ 4-6 (FRP аналогічний або дещо вищий) FRP обмежено низьким тиском і температурою Перевірте сумісність із смолою
Hot, concentrated acid fumes (>80 градусів ) FRP (високотемпературний вініловий ефір) або футерована сталь (якщо високий тиск) Ні (FRP) або фарба + вкладиш (сталь) 5–8 горючість FRP; сталева обшивка збільшує складність
Змішана кислота (HF + HNO 3 ) FRP зі спеціальною смолою (або оболонкою з вуглецевої сталі, покритою PTFE-) № 6-10 Потрібен спеціальний дизайн
Подальші міркування щодо дизайну
Фланці корпусу та насадки
Форсунки корпусу, фланці та болтовий матеріал також повинні бути стійкими до зовнішнього середовища. Усі фланці та сопла корпусу 316L також мають бути 316L. Форсунки оболонки з FRP також виготовляються з FRP або корозійностійких сплавів (наприклад, Hastelloy) з відповідними перехідними з’єднаннями. Болти мають бути виготовлені зі стійкого до корозії-матеріалу (наприклад, нержавіючої сталі 316 або B7 зі стійким до корозії-покриттям) і мають бути захищені від атмосфери.

Оцінка пожежної небезпеки FRP
Перш ніж визначити оболонку з FRP, слід провести оцінку ризику пожежі. FRP снаряди додають масла у вогонь і можуть пропускати полум'я. На багатьох хімічних підприємствах протипожежні норми забороняють використання FRP, за винятком випадків, коли встановлено ефективні системи пожежогасіння, достатня відстань від джерел займання або де використовується -вогнезахисна смола (яка, як правило, знижує механічні властивості). Для кожухотрубних теплообмінників деякі заводи взагалі не допускають FRP. Специфікатор повинен посилатися на місцеві норми та стандарти безпеки підприємства.

Обмеження тиску та температури
The material of the shell shall withstand the design pressure and temperature of the exchanger irrespective of the external environment. FRP is not suitable for high pressure (e.g. >10 bar) or high temperature (>120 градусів ) послуги. За таких обставин необхідна оболонка з вуглецевої сталі або 316L, але потрібно додати зовнішній захист (наприклад, хімічно -стійку фарбу або покриття). В якості альтернативи можлива конструкція оболонки з подвійними стінками або кожухом із зовнішньою оболонкою з вуглецевої сталі, покритою внутрішньою оболонкою з FRP або PTFE. Це спеціалізоване і дороге рішення.

Погодні бар'єри та зовнішня ізоляція
Якщо корпус має бути теплоізоляційним (наприклад, щоб мінімізувати втрати тепла або захистити персонал), система ізоляції не повинна утримувати корозійну вологу проти оболонки. Для оболонок із вуглецевої сталі необхідний погодний бар’єр (металева оболонка). Для оболонок 316L рекомендується використовувати той самий погодний бар’єр, щоб уникнути щілинної корозії під вологою ізоляцією. При використанні FRP оболонок ізоляцію можна наносити безпосередньо, але клей та ізоляційний матеріал повинні бути хімічно сумісні зі смолою.

Вартість проти життєвого циклу
Пофарбована оболонка з вуглецевої сталі має найнижчу стартову вартість, але потребує технічного обслуговування (перефарбування кожні 3-10 років залежно від тяжкості). Оболонка 316L має більшу початкову вартість, але в основному не вимагає технічного обслуговування для зовнішньої корозії протягом 20-річного терміну експлуатації. FRP-оболонка має помірну початкову вартість (наприклад, 316L або трохи більше), а також мінімальне технічне обслуговування, але має обмеження щодо тиску, температури та пожежної безпеки. Для багатьох корозійних ситуацій аналіз вартості життєвого циклу вказує на 316L для більшості застосувань, для яких він підходить.

Приклад практичного вибору
Сценарій: PTFE теплообмінник, встановлений на заводі обробки металу. Середовище містить тонкий туман соляної кислоти (0,5–5 ppm) із травильних резервуарів поблизу. Шкаралупа не змочується безпосередньо розливами, але вологе кисле повітря завжди присутній. Оболонка працює при 80 градусах і 6 барах. Обмінник знаходиться в приміщенні і має пожежогасіння.

Аналіз:

Фарба по вуглецевій сталі. Гарне епоксидне покриття може прослужити 2-3 роки, перш ніж з’являться дірки та корозія країв. Вимагає частого перефарбовування. Щоб уникнути.

Нержавіюча сталь 316L: стійка до розрідженого туману HCl від температури навколишнього середовища до помірних температур. 316L може мати певну точкову точку при 80C, однак ризик низький у тумані (не в рідині) і при високих рівнях хлориду. добре. Преміальним оновленням буде супер-аустеніт (наприклад, . 904L), але, ймовірно, не потрібно.

FRP: вініловий ефір FRP повністю стійкий до розбавленої HCl при 80 градусах. Тиск (6 тисків) знаходиться в межах потужності FRP (зазвичай максимум 10 бар). Прийнятно, невелика пожежна небезпека, завод має пожежогасіння. FRP також можливий, але може бути дорожчим, ніж 316L.

Рекомендовано: корпус з нержавіючої сталі 316L. Він забезпечує тривалий термін служби без обслуговування за розумною ціною та усуває обмеження щодо пожежі та тиску FRP.

Висновок: подвійна передня броня Обмінника
Матеріал оболонки є важливим, незалежним і економічно-ефективним рішенням – вибір зовнішньої броні, яка захищає структурну цілісність теплообмінника від невидимого атмосферного нападника. Для м’якого внутрішнього обслуговування мінімумом є корпус із вуглецевої сталі з хімічно{2}}стійкою системою фарби. 316L нержавіюча сталь є довговічною, перейдіть-на модернізацію для корозійних атмосфер, які зазвичай зустрічаються на хімічних заводах і в прибережних місцях. FRP забезпечує позитивну корозійну стійкість для послуг із дуже низьким тиском і низькою температурою, де навіть 316L виходить з ладу, але порушує пожежну безпеку та обмеження тиску. Теплообмінник веде війну на два-фронти – всередині та зовні. ПТФЕ-трубки несуть внутрішню технологічну рідину, але матеріал оболонки має вибиратися так, щоб витримувати зовнішнє середовище. Зіставте матеріал оболонки з фактичною атмосферою заводу, щоб забезпечити тривалий{11}}безпроблемний термін служби.