Яка вартість-Оптимізована товщина оболонки для нагрівачів резервуарів з нержавіючої сталі 316 у 30% розчині гідроксиду натрію при 50 градусах із п’ятирічним-проектним терміном служби

Основний компроміс-у середньотемпературній їдкій обробці

30% гідроксид натрію при 50 градусах є типовим, хоча часто неправильно інтерпретованим, застосуванням для занурювальних нагрівачів з нержавіючої сталі 316 на резервуарах для зберігання гідроксиду натрію. При цій температурі та концентрації нержавіюча сталь 316, як правило, стійка до корозії. Завдяки створенню стійкого захисного пасивного покриття в концентрованому їдкому середовищі швидкість рівномірної корозії дуже низька (зазвичай 0,01–0,03 мм на рік). Виходячи лише з рівномірного впливу, стіна товщиною 1,0 мм теоретично може прослужити від 33 до 100 років. Справжньою небезпекою є не поширена корозія, а два локалізовані явища: корозійне розтріскування під напругою їдкої речовини на межі розділу рідини-пару та точкове утворення внаслідок забруднення хлоридами, що потрапило під час наповнення, або через нечисту їдку їдку. Оптимізована вартість товщини оболонки для проектного терміну служби в п’ять років, таким чином, визначається не допуском на корозію в класичному розумінні, а мінімальною товщиною, щоб витримати локальні пошкодження, забезпечити механічну міцність для встановлення та очищення та виключити непотрібні витрати на матеріали. Справжня товщина,-оптимізована за вартістю, розроблена в цьому дослідженні на основі компромісу-між вартістю матеріалів і -коригованим на ризик терміном служби.

Дозвіл на корозію-років служби уніформи

Дані про корозію нержавіючої сталі 316 у 30% гідроксиду натрію при 50 градусах, опубліковані NACE та ASTM International, вказують на рівномірну швидкість корозії 0,01-0,03 мм/рік в аерованих умовах і навіть нижчу (0,005-0,015 мм/рік) за деаерованих умов, типових для каустичної рідини, що зберігається, яка спожила свій розчинений кисень. Загальна рівномірна втрата металу становить 0,05-0,15 мм за п'ять років. Мінімальна товщина оболонки з нержавіючої сталі 316 для збереження цілісності тиску та механічної міцності становить близько 0,4-0,5 мм. Додавши до цього мінімуму п’ятирічний запас на корозію, ви отримаєте теоретично необхідну товщину 0,45–0,65 мм. Товщина понад 0,7 мм не підвищує постійну стійкість до корозії. Усі стінки 1,2 мм, 1,5 мм і 2,0 мм, які пропонують виробники обігрівачів, значно перевищують цей мінімум. З точки зору чисто однорідної корозії, найтонша наявна на ринку оболонка (зазвичай 1,0-1,2 мм) більш ніж придатна для п’ятирічного розрахункового терміну служби.

Локалізований ризик атаки та вимога до маржі порушення

The uniform corrosion is small but the localised attack due to chloride contamination or due to the creation of caustic concentration cells at the liquid-vapor interface demands greater metal reserve. Technical sodium hydroxide usually comprises 50-500 ppm chloride as a contaminant from the production process (membrane cell or diaphragm cell procedures). 316 stainless steel in 30% caustic with 200 ppm chlorides has a critical pitting temperature of >60 градусів при 50 градусах, тому за звичайних умов не очікується виїмки. Локалізовані концентрації хлоридів можуть виникати на поверхні оболонки під час циклів випаровування, однак, якщо резервуар нагрівають, а потім дають охолонути, або якщо нагрівач циклічно вмикається та вимикається. За таких умов удару можлива швидкість пітінгу до 0,1–0,3 мм/рік протягом короткого часу. Навіть лише один місяць нестабільних умов може призвести до глибини ями 0,025-0,075 мм протягом п’яти років. Що ще важливіше, поєднання напруги розтягування, концентрації каустичної речовини та підвищеної температури необхідне для виникнення корозійного розтріскування під дією каустичної напруги на межі розділу рідина-пар. Ризик CSCC при 50 градусах невеликий, але не нульовий. Якщо почати, швидкість росту переломів становить приблизно 0,05-0,2 мм/рік. Перелом, що розширюється зі швидкістю 0,1 мм/рік, прорве стінку 1,2 мм за 12 років. Якби стінка була товщиною 1,0 мм, вона зруйнувалася б через 10 років. Але тонша стінка на 0,8 мм буде перфорована за вісім років, залишаючи запас міцності в три роки". Таким чином, оптимізована товщина повинна забезпечувати запас безпеки від непоміченої локалізованої атаки. Польовий досвід роботи зі сховищами каустичної речовини показує, що мінімальна товщина 1,0-1,2 мм забезпечить прийнятний п'ятирічний запас безпеки для більшості установок. Можливість зростання тріщини або ями на глибину понад 1,2 мм за п'ять років надзвичайно низька за належної експлуатації, так що товщина понад 1,5 мм збільшить вартість без пропорційного зменшення ризику.

Механічна міцність для монтажу та чищення

Атмосферний вуглекислий газ поглинається і утворюються кристали карбонату натрію, тому резервуари для зберігання гідроксиду натрію необхідно періодично очищати. Нагрівачі можна виймати, переміщати та повертати назад під час чищення. Вони також можуть бути поранені інструментами для чищення або замороженою їдкою речовиною, яка іноді утворюється на стінках резервуарів. Тому оцінка механічної міцності оболонки становить практичний інтерес. Стінка товщиною 1,2 мм може бути зігнута або пом'ята від легкого удару. Стінка товщиною 1,5 мм значно жорсткіша. Пошкодження при транспортуванні набагато стійкіше до стінки товщиною 2,0 мм. Але вартість ремонту або заміни пошкодженого обігрівача часто набагато менша, ніж додаткові витрати на товщу стінку для цілого парку обігрівачів. Для одного обігрівача потужністю 3 кВт різниця у вартості матеріалу між оболонкою 1,2 мм і 2,0 мм становить приблизно 15-25% від загальної вартості обігрівача. Якщо ймовірність механічного пошкодження протягом п’ятирічного терміну експлуатації становить менше 10%, то прогнозована вартість пошкодження менша, ніж додаткова початкова вартість більш товстої стінки. У більшості добре керованих складських приміщень, де обігрівачі ретельно обробляються, оптимальна товщина для механічної міцності становить 1,2-1,5 мм. На установках з грубим поводженням або там, де обігрівачі знаходяться у недоступних місцях, 1,8-2,0 мм можуть бути виправданими.

Питання, що стосуються вартості енергії та теплових характеристик

Різниця в тепловому опорі по товщині безпосередньо впливає на споживання енергії протягом п’яти років. Для нагрівача з зовнішнім діаметром 12 мм у 30% NaOH при 50 градусах коефіцієнт конвективної теплопередачі становить приблизно 600-1000 Вт/м^2K залежно від перемішування. Збільшення товщини стінки з 1,2 мм до 2,0 мм призводить до додаткового теплового опору приблизно 0,004 м2К/Вт. Для обігрівача з площею оболонки 0,1 м², який працює при температурі навколишнього середовища 50 градусів протягом 8000 годин на рік (безперервна робота), ця додаткова втрата тепла становить приблизно 0,004 різниці температур і площі, або приблизно на 2-3% менше теплової потужності за тієї самої вхідної електроенергії. Протягом п'яти років ця втрата ефективності означає додаткові 2000-3000 кВт-год споживання електроенергії на 10 кВт теплової потужності. При промисловій ціні на електроенергію 0,08 дол. США за кВт-год додаткова вартість енергії за п’ять років становить 160-240 дол. США за обігрівач потужністю 10 кВт. Різниця в початковій вартості між оболонкою 1,2 мм і 2,0 мм для обігрівача потужністю 10 кВт зазвичай становить 50-100 доларів США. Таким чином, більш тонка стінка виправдовує меншу вартість матеріалу підвищеною ефективністю і, отже, представляє економічно оптимізований вибір для безперервної роботи. Для переривчастих операцій (2000 годин на рік використання обігрівача) різниця у вартості енергії зменшується до 40-60 доларів США за 5-річний період, що може бути недостатньо для підтвердження аргументу щодо ефективності, але все одно сприяє більш тонкій стінці лише на основі вартості матеріалів.

Таблиця аналізу товщини з оптимізацією вартості

Коефіцієнт вартості 1,2 мм Оболонка 1,5 мм Оболонка 2,0 міліметра Оболонка 2,5 мм Оболочка Вартість матеріалу (порівняно з 1,2 мм) 1.00 1.10 1.17 1.31
Рівномірний припуск на корозію (5 років) 0,05-0,15 мм 0,05-0,15 мм 0,05-0,15 мм 0,05-0,15 мм
Маржа виживання при пошкодженні (пітинг/CSCC) 1,05-1,15 мм 1,35-1,45 мм 1,85-1,95 мм 2,35-2,45 мм
Штраф за енергоефективність (5 років, безперервно) 0% (базова лінія) 1-2% 2-3% 3-5%
5-річна ймовірність очікуваного механічного пошкодження коштує $30-50 $20-40 $10-20 $5-15
Загальна вартість за 5 років (нагрівач+енергія+збитки) на 10 кВт 1000-1100 $1050-1180 $1100-1250 $1200-1400
Вартість оптимізована для роботи 24/7 Відмінно Дуже добре Задовільно Погано
Оптимізовано для періодичної роботи Найкраще Найкраще Прийнятно Погано
Коли вартість більш товстих стін виправдана

Notwithstanding the preceding analysis, there are certain instances where a thicker wall will be the most cost effective solution. First, if the caustic is known to have high chloride levels (>500 частин на мільйон) і резервуар працює при температурах вище 60 градусів, стінка 1,8-2,0 мм забезпечує необхідну стійкість до корозії, яку не може забезпечити стінка 1,2 мм. Початкова вартість товщини більше, ніж окупається вартістю передчасного виходу з ладу через 2 роки. По-друге, більш товста стінка протидіє зносу монтажного фланця, коли резервуар зазнає повторного термічного циклу, що змушує нагрівач розширюватися та стискатися проти отворів бака. По-третє, якщо нагрівач встановлено в резервуар, який не можна злити для перевірки чи ремонту без значної перерви у виробництві, вартість незапланованого простою підтримує консервативну товщину 2,0 мм, навіть якщо статистична ймовірність відмови мінімальна. По-четверте, якщо каустик містить абразивні тверді матеріали, такі як кристали карбонату натрію, які осідають на нагрівачі, потрібна швидкість ерозії-корозії 0,05-0,1 мм/рік і додатковий запас металу.

Висновок: Оптимальна-вартість товщини при регулярному обслуговуванні

Для переважної більшості резервуарів для зберігання 30% гідроксиду натрію при температурі 50 градусів із типовим рівнем хлориду нижче 200 частин на мільйон і з розумними процедурами поводження, оптимізована вартість-товщини оболонки протягом п’яти-річного терміну служби становить від 1,2 до 1,4 мм. Ця товщина забезпечує допуск на корозію, який у десять разів перевищує очікувану рівномірну втрату, запас надійності проти локалізованого впливу 1,0 мм або більше, відповідну механічну міцність для обережного поводження та найкращу теплову ефективність. Перехід до 1,5-1,6 мм збільшує витрати на матеріал і втрачає ефективність із незначною перевагою через і без того низьку ймовірність поломки через корозію. Це виправдано, лише якщо вартість виправдана, і тільки якщо є особливі обставини, що викликають порушення, такі як високий вміст хлоридів, абразивні частки, часті термічні цикли або суворі виробничі штрафи за незаплановану заміну. Вибираючи нагрівач для зберігання каустичної речовини, інженери повинні шукати аналіз хлоридів у подачі гідроксиду натрію та розрахунковий робочий цикл. Виходячи з цього, можна визначити-оптимізовану товщину як 1,2 мм для чистої їдкої речовини з вмістом хлоридів нижче 100 частин на мільйон; 1,4-1,6 мм для каустичної з хлоридами до 500 ppm; і 2,0 мм лише тоді, коли певні міркування ризику виправдовують премію. Це перетворює рішення щодо товщини за замовчуванням до більших стін на-на основі даних, оптимізоване інженерне рішення, яке врівноважує початкову вартість матеріалу з 5-річними експлуатаційними витратами та ймовірністю відмови з поправкою на ризик.