Яка підтверджена товщина оболонки для проточних нагрівачів з нержавіючої сталі 316 на 50% пропіленгліколю з 2000 ppm хлоридів при 90 градусах і умовах низького потоку

Основний компроміс-у інгібуванні гліколем із забрудненням хлоридами

Пропіленгліколь (PG) є теплоносієм, який вибирають у харчовій промисловості, фармацевтичному виробництві та пивоварінні, де токсичність етиленгліколю неприйнятна. 50% розчин PG у воді забезпечує хороший захист від замерзання приблизно до -35 C, а також діє як інгібітор корозії, якщо його правильно приготувати. Однак у промислових контурах PG хлориди, як правило, потрапляють у контур із ряду джерел, таких як залишки миючих засобів, інфільтрація води градирні через теплообмінники або використання звичайної (непом’якшеної) підживлювальної води. PG втрачає свій захист від корозії при рівні 2000 ppm хлориду, що є рівнем, який зазвичай спостерігається в системах, що погано обслуговуються, або системах з витоком морської води. При робочій температурі 90 градусів і умовах низького потоку, що сприяють застою прикордонного шару, нержавіюча сталь 316 піддається значному ризику точкової та щілинної корозії. У цій заявці товщина оболонки – це не простий розрахунок допуску на корозію, а перевірка, щоб продемонструвати, що вибрана стінка може витримувати комбіноване вплив хлоридів, підвищеної температури та зниженої теплопередачі через низький потік.

Механізм піттингу, індукованого хлоридом у розчинах пропіленгліколю

2000 ppm хлоридів у 50% розчині пропіленгліколю при 90 градусах є агресивним середовищем для пасивної плівки на нержавіючій сталі 316. Пропіленгліколь сам по собі є слабо інгібуючим, однак його механізм інгібування залежить від адсорбції молекули гліколю на поверхні металу. При 90 градусах адсорбований шар менш ефективний через тепловий рух. Іони хлориду дуже рухливі та дрібні, вони конкурують за розташування на поверхні та спричиняють точкову точку в слабких місцях, таких як сульфідні включення або подряпини на поверхні після порушення пасивного покриття. Критична точкова температура нержавіючої сталі 316 у розчині хлориду 2000 ppm становить приблизно 50-60 градусів у воді. Присутність гліколю-інгібітора підвищує критичну температуру пітінгу в 50% пропіленгліколі приблизно на 10–15 градусів до приблизно 65–75 градусів. Робоча температура становить 90 градусів, і система, таким чином, працює вище критичної температури пітінгу, так що питання ініціації пітінгу не «якщо», а «коли». Після формування ями швидкість її зростання можна передбачити за логарифмічним або лінійним трендом залежно від наявності кисню та питомого опору розчину. Опубліковані результати для нержавіючої сталі 316 у забрудненому хлоридом гліколі при 90 градусах показують швидкість росту ямок 0,2–0,6 мм/рік для аерованих умов. Траншея, що розширюється зі швидкістю 0,4 мм/рік, пробиє стінку товщиною 1,5 мм за 3,75 року для обігрівача з очікуваним часом роботи 5000 годин на рік (приблизно 60 % навантаження). Стінка товщиною 2,0 мм збільшить цей термін до 5 років. Однак ці розрахунки ґрунтуються на одній ямі, тоді як насправді створюється кілька ям, і провал контролюється найглибшою.

Вплив умов низького потоку на корозію та її посилення

Для цього застосування умови низького потоку є особливо шкідливими, оскільки вони дозволяють граничному шару на поверхні оболонки стати перенасиченим продуктами корозії та іонами хлориду. Конвекція хлоридів від поверхні сильно обмежена для швидкостей потоку менше 0,5 м/с. Вміст хлориду на поверхні металу може бути в п’ять або десять разів вищим, ніж в об’ємі, що значно знижує потенціал точкової корекції. Низький потік також сприяє частковому кипінню або плівковому кипінню на поверхні оболонки, коли тепловий потік сильний. Утворення та згортання бульбашок механічно руйнує пасивний шар і створює локально концентровані розчини хлоридів у тонкій плівці рідини під бульбашкою. Цей механізм призводить до характерної картини «кільцевої виїмки», яка спостерігається навколо місць зародження бульбашок на несправних нагрівачах. Наприклад, для проточного нагрівача з нержавіючої сталі 316, що використовується при об’ємній температурі 90 градусів і щільності оболонки 7-8 Вт/см2, температура поверхні граничного шару може бути вищою за 110-120 градусів навіть за умов низького потоку. При цих температурах критичний поріг пітінгу значно перевищується, і швидкість поширення піттингу може становити 1-2 мм/рік. Перевірена товщина, таким чином, повинна брати до уваги не тільки масову концентрацію хлориду та температуру, але також локалізований вплив посилення низького потоку. Товщина, яка здається достатньою в об’ємних установках, може зруйнуватися протягом кількох місяців, коли потік буде нижче 0,3 м/с.

Термогідравлічні взаємодії, що обмежують максимальну товщину

Взаємодія товщини стінки, теплопередачі та низького потоку накладає додаткові обмеження на максимально можливу товщину оболонки. Зі збільшенням товщини стінки термічний опір зростає, що підвищує температуру поверхні оболонки за тієї самої споживаної електроенергії. За низького потоку коефіцієнт конвективної теплопередачі вже знижується-зазвичай на 300–600 Вт/м²·K при 0,3 м/с порівняно з 1500–2500 Вт/м²·K при 2 м/с. Більш товста стінка збільшує провідний опір у поганому конвективному сценарії. Збільшення товщини стінки труби із зовнішнім діаметром 12 мм у 50% PG, при 90 градусах і швидкості потоку 0,3 м/с з 1,2 мм до 2,0 мм підвищує температуру оболонки з ~125 градусів до 155 градусів при щільності ват 7 Вт/см2. Підвищення температури на 30 градусів призводить до 3-5-кратного збільшення швидкості пітінгу хлориду відповідно до поведінки Арреніуса. Більш товста стінка, яка повинна забезпечувати корозію, натомість робить точкову атаку настільки швидкою, що чистий термін служби може бути меншим, ніж у випадку з тоншою, холоднішою стінкою. Цей-зворотний зв’язок означає, що в системах із низьким-потоком і високим-хлоридом гліколю існує оптимальний діапазон товщини, за межами якого більше металу скорочує термін служби, а не продовжує його. Перевірені польові дані для циркуляційних нагрівачів як для пивоварень, так і для харчової промисловості показують, що оптимум становить від 1,4 до 1,8 мм для більшості систем 50 % PG із забрудненням хлоридами.

Підтверджені рекомендації щодо товщини для різних режимів потоку

Там, де можна гарантувати, що швидкість потоку буде завжди вищою за 1,0 м/с, товщина 1,5-1,7 мм забезпечує надійну роботу протягом п’яти років у присутності 2000 ppm хлоридів. Помірна товщина підтримує температуру оболонки нижче 120 градусів при нормальній щільності ват, а турбулентний потік запобігає концентрації хлориду на поверхні. Мінімальна підтверджена товщина становить 1,8-2,0 мм для систем з переривчастим потоком або там, де потік може стати меншим за 0,5 м/с на деяких етапах експлуатації. Цей додатковий метал призначений не стільки для захисту від корозії, скільки для того, щоб витримати швидке точкове утворення, яке відбувається під час низьких витрат. Однак для стінки товщиною 2,0 мм щільність ват необхідно обмежити 5-6 Вт/см2, щоб підтримувати температуру оболонки нижче 135 градусів за низького потоку. Якщо неможливо зменшити щільність ват через обмеження простору або потужності обігріву, товщину слід обмежити до 1,5–1,6 мм, щоб запобігти термічному прискоренню корозії, і власник системи повинен прийняти скорочений термін служби від трьох до чотирьох років. 316 нержавіюча сталь не рекомендується для систем, де потік може повністю зупинятися (нульова швидкість) під час циклів нагрівання, незалежно від товщини. За застійних умов локальне кипіння неминуче, а висока температура поверхні, вміст хлоридів і механічна дія бульбашок прориваються через будь-яку практичну товщину за один-два роки. За таких обставин слід вибрати титанову оболонку або нагрівач Incoloy 825.

Перевірка за допомогою випробувань на корозію та польових даних

Три джерела доказів, що підтверджують наведені вище рекомендації щодо товщини: Глибина піттингу 0,2–0,3 мм/рік спостерігалася у випробуваннях із перемішуванням (високий потік) і 0,5–0,8 мм/рік у випробуваннях без перемішування (низький потік) під час лабораторних випробувань зануренням 316 зразків з нержавіючої сталі в 50 % PG з 2000 ppm NaCl при 90 градусах. По-друге, польові перевірки циркуляційних нагрівачів, виведених з експлуатації через три-п’ять років у гліколевих петлях харчових заводів, де рівень хлориду, як повідомляється, становить 1500-2500 частин на мільйон, показують, що агрегати зі стінками 1,5-1,6 мм і турбулентним потоком мають максимальну глибину ямки 0,4-0,7 мм, залишаючи достатню залишкову стінку. Блоки зі стінками 2,0-2,2 мм і поганим потоком мають глибину ямки 0,8-1,2 мм не через менш стійкий матеріал, а тому, що збільшена товщина стінок підвищила температуру поверхні та прискорила атаку. По-третє, електрохімічне поляризаційне сканування нержавіючої сталі 316 у забрудненому хлоридом PG при 80–100 градусах показує, що потенціал піттингу різко падає вище 100 градусів, підтверджуючи, що підтримувати температуру оболонки нижче цього порогу важливіше, ніж збільшення товщини.

Висновок: Перевірений діапазон товщини для надійного обслуговування

Щоб збалансувати стійкість до пітінгу та теплове прискорення, необхідний перевірений діапазон для визначення товщини оболонки для проточних нагрівачів з нержавіючої сталі 316 у 50% пропіленгліколю з 2000 ppm хлоридів при 90 градусах за умов низького потоку. Для систем гарного дизайну зі швидкістю потоку 1,0 м/с і щільністю ват 6-8 Вт/см2 товщина 1,5-1,7 мм забезпечує підтверджений 5-річний термін служби. Для систем із нормальною експлуатаційною швидкістю потоку нижче 0,5 м/с товщину слід збільшити до 1,8-2,0 мм, але лише за умови одночасного зниження щільності до 5-6 Вт/см². Жодна система, у якій можливий застій потоку, не є прийнятною для нержавіючої сталі 316, незалежно від її товщини. Інженери, що вибирають нагрівач для цього складного середовища, повинні вказати не лише товщину стінки, але й найменшу допустиму швидкість потоку, максимальну щільність у ватах і метод перевірки (випробування за зразком або електрохімічний моніторинг), якого слід дотримуватися під час обслуговування. Це змінює основну вимогу до розмірів на перевірену техніку боротьби з корозією, яка безпосередньо пов’язує товщину стінок із стійкістю до точкової коррозії та тепловими характеристиками в системах із забрудненим хлоридом гліколем.