ضخامت غلاف توجیه شده علمی برای بخاری های گردشی فولاد ضد زنگ 316 در محلول های آبی مونواتیلن گلیکول 20 درصد در 110 درجه زیر فشار 4 بار چقدر است؟

تجارت اولیه در حلقه‌های گلیکول تحت فشار-

سیستم های گرمایش حلقه بسته مبتنی بر مونواتیلن گلیکول (MEG) به عنوان سیالات انتقال حرارت محافظت شده در برابر یخ زدگی در سکوهای دریایی، تاسیسات حرارتی خورشیدی و گرمایش فرآیند صنعتی که دمای محیط به زیر صفر می رسد استفاده می شود. محلول 20% MEG در آب با ویسکوزیته و ظرفیت گرمایی مناسب از ترکیدن تا حدود -}8 درجه محافظت می‌کند. بخاری های گردشی فولاد ضد زنگ 316 در چنین محلولی در 110 درجه و فشار سیستم 4bar، در یک محیط نسبتاً تهاجمی اما به طور کلی قابل اجرا هستند. محلول‌های گلیکول به آرامی اکسید می‌شوند تا اسیدهای آلی (اسیدهای گلیکولیک و اگزالیک) را در دماهای بالا تولید کنند که در طول مدت زمان pH را از خنثی به حدود 5-6 کاهش می‌دهد. اکسیژن موجود در پرکننده اولیه نیز ممکن است به خوردگی موضعی کمک کند تا زمانی که با واکنش با گلیکول مصرف شود یا از طریق مخزن انبساط دفع شود. در این کاربرد، ضخامت غلاف مربوط به زنده ماندن در نرخ های خوردگی بالا نیست، بلکه بیشتر به کنترل تعادل ظریف بین یکپارچگی فشار، راندمان حرارتی و مقاومت طولانی مدت در برابر تخریب تدریجی است که طی سال ها کار مداوم رخ می دهد.

حداقل دیوارهای ساختاری و الزامات مخزن تحت فشار

تنش حلقه در غلاف گرمکن گردشی در فشار کاری 4 بار نسبتاً کم است. برای یک لوله معمولی با قطر خارجی 12 میلی‌متر و ضخامت دیواره 1.2 میلی‌متر، تنش روی سطح داخلی تحت فشار را می‌توان با استفاده از فرمول استوانه دیواره نازک σ=P⋅ri/tσ{6}P⋅ri​/t محاسبه کرد که در آن PP فشار گیج (4 مگاپیکسل اینچ، شعاع 4 مگاپیکسل یا 0 اینچ) است. ~4.8 میلی متر برای دیوار 1.2 میلی متر) و tt ضخامت دیوار است. این تنش حلقه ای تقریباً 1.6 مگاپاسکال ایجاد می کند که در مقایسه با مقاومت تسلیم فولاد ضد زنگ 316 در حدود 200 مگاپاسکال در دمای اتاق و 150 مگاپاسکال در دمای 110 درجه ناچیز است. با ضریب ایمنی 5، یک دیوار 0.5 میلی متری از نظر تئوری فشار را نگه می دارد. با این حال، کدهای مخازن تحت فشار، به عنوان مثال، دیگ بخار ASME و کد مخزن تحت فشار، حداقل ضخامت دیواره را برای استحکام مکانیکی، درگیری رزوه، و مجاز خوردگی تعیین می کنند. غلاف هیترهای گردشی با اتصالات رزوه ای یا فلنجی باید بتواند نه تنها فشار داخلی، بلکه گشتاورهای نصب و فشارهای ناشی از انبساط حرارتی را نیز تحمل کند. یک ضخامت دیوار<1.0 mm may risk thread stripping or tube collapse upon assembly. Thus the minimal structural thickness for a 316 stainless steel circulation heater in a 4 bar glycol service is in the region of 1.0-1.2 mm. This thickness is driven more by mechanical handling and connection integrity than by pressure containment.

میزان خوردگی و تخریب گلیکول - طولانی مدت

در محلول های داغ MEG خطر اصلی خوردگی تجمع آهسته اسیدهای آلی از طریق اکسیداسیون حرارتی است. در حضور اکسیژن محلول، که تقریباً همیشه برای حلقه‌ای که اخیراً پر شده یا بد هوا شده است، وجود دارد، گلیکول در دمای بیش از 90 درجه تجزیه می‌شود و اسید گلیکولیک، اسید اگزالیک و اسید فرمیک تشکیل می‌دهد. این اسیدها می توانند به لایه غیرفعال فولاد ضد زنگ 316 آسیب برسانند و pH را کاهش دهند. تست‌های آزمایشگاهی فولاد ضد زنگ 316 در 25% MEG در 110 درجه تحت شرایط هوادهی، نرخ خوردگی ثابت 0.02 تا 0.05 میلی‌متر در سال را نشان می‌دهد، با نرخ‌های کمی بالاتر (0.05 تا 0.10 میلی‌متر در سال) در نزدیکی منطقه واسط مایع{12}}که بالاترین غلظت اکسیژن است. از این رو میزان خوردگی 0.5 تا 1.0 میلی متر در طول عمر طراحی ده ساله عاقلانه است. در آن زمان یک دیوار 1.2 میلی متری حدود 0.2-0.5 میلی متر از دست می داد و 0.7-1.0 میلی متر هنوز از نظر ساختاری کافی باقی می ماند، اما با حاشیه کمی برای موارد احتمالی مانند نفوذ هوا یا گرم شدن موضعی. یک دیوار 1.5 تا 1.8 میلی‌متری، در عین حال که از نظر حرارتی کارآمد باقی می‌ماند، میزان خوردگی راحت‌تری را فراهم می‌کند. موذیانه تر، احتمال حمله شکافی به فلنج های واشر دار یا رسوبات زیر رسوب است. محصولات تجزیه گلیکول می توانند به رسوبات چسبنده پلیمریزه شوند که مایع اسیدی را روی سطح فلز نگه می دارند. در چنین ترک هایی، pH می تواند به طور موضعی به 3-4 کاهش یابد و نرخ خوردگی می تواند به 0.2-0.5 میلی متر در سال برسد. ضخامت دیواره اضافی حاشیه ایمنی بیشتری در برابر عمق نامشخص حمله شکاف می دهد.

راندمان حرارتی و تاثیر ضخامت دیوار بر گرمایش گلیکول

Monoethylene glycol solutions have a lower thermal conductivity and a higher viscosity than water that further decreases the heat transmission from the sheath to the fluid. This difficulty is compounded by a thick wall of stainless steel. The convective heat transfer coefficient for 20 % MEG at 110 C is in the range of 800-1200 W/m2-K for turbulent flow (Re>4000). این کمتر از آبی است که 1500-2500 W/m2-K است. از این رو مقاومت حرارتی غلاف بخش بالاتری از کل مدار حرارتی نسبت به آب است. دوبرابر کردن ضخامت دیواره یک لوله با قطر خارجی 12 میلی‌متر از 1.2 میلی‌متر به 1.8 میلی‌متر، مقاومت رسانا را حدود 50 درصد افزایش می‌دهد و نرخ انتقال حرارت کلی را تا 15-20 درصد در همان تنظیمات پمپاژ کاهش می‌دهد. مهمتر از آن، یک دیوار ضخیم تر به دمای سطح غلاف بالاتر برای همان ورودی برق نیاز دارد. چگالی وات برای بخاری های گردشی معمولاً 8-10 وات بر سانتی متر مربع در سطح غلاف است. یک دیوار 1.2 میلی متری در محلول 110 درجه MEG ممکن است دمای غلاف را در 135-140 درجه نگه دارد. یک دیوار 1.8 میلی متری در محدوده 155-165 درجه سانتیگراد است. اکسیداسیون گلیکول در دماهای بالاتر از 150 درجه به میزان قابل توجهی تسریع می شود. سرعت تجزیه گلیکول به ازای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش بالای 120 درجه سانتیگراد تقریباً دو برابر می شود. این اجازه می دهد تا از یک دیوار ضخیم تر برای ایجاد اجازه خوردگی استفاده شود، اما دیواره ضخیم تر می تواند دمای محلی را در سطح مشترک سیال-غلاف افزایش دهد، در نتیجه به طور غیرمستقیم به خوردگی که در مقابل آن مقاومت می شود سرعت می بخشد. این حلقه بازخورد خودشکسته به این معنی است که در عمل برای سرویس گلیکول، دیوارهای نازک‌تر نه تنها کارآمدتر هستند، بلکه ممکن است در برابر خوردگی مقاوم‌تر باشند زیرا غلاف را خنک‌تر نگه می‌دارند.

توصیه های عملی برای ضخامت برای شرایط مختلف خدمات

دستورالعمل های ضخامت زیر برای سیستم حلقه بسته 20% MEG در دمای 110 درجه سانتیگراد و 4 بار بر اساس طراحی سیستم و قرار گرفتن در معرض اکسیژن تخمین زده می شود. نرخ خوردگی بسیار کم است (0.01-0.02 میلی متر در سال) برای یک سیستم هوادهی خوب مهر و موم شده با مخزن انبساط پوشیده از نیتروژن و با اکسیژن محلول در کمتر از 100 ppb. ضخامت 1.2-1.5 میلی متر عمر ده ساله با حاشیه فراوان می دهد. دیواره نازک همچنین به پایین نگه داشتن دمای غلاف کمک می کند که تجزیه گلیکول را نیز کاهش می دهد. برای یک سیستم باز، که در آن هوا از طریق یک مخزن انبساط تهویه‌دار به داخل کشیده می‌شود و وقتی اکسیژن محلول در سطوح اشباع است (حدود 1 تا 2 ppm در 110 درجه)، نرخ خوردگی به 0.05 تا 0.10 میلی‌متر در سال می‌رسد. پیشنهاد می شود که ضخامت 1.6-1.8 میلی متر باشد تا اجازه خوردگی 0.5-1.0 میلی متر برای 10 سال فراهم شود. اما این دیواره ضخیم‌تر باید با چگالی وات کمتری ترکیب شود که از 6-7 وات بر سانتی‌متر مربع تجاوز نمی‌کند، تا دمای غلاف زیر 150 درجه . 2.0 میلی‌متر ضخامت حفظ شود، ممکن است برای سیستم‌هایی که در معرض خشک شدن مکرر قرار دارند یا اگر گلیکول هرگز دوباره پر نشود و غلظت اسید بالا باشد، قابل توجیه است، اگرچه در این مرحله جریمه حرارتی بسیار مهم است. در این سناریو، رویکرد مناسب به جای افزایش ضخامت غلاف، تغییر آلیاژ به یک آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی مانند 316Ti یا 317L یا افزودن یک بسته بازدارنده خوردگی به گلیکول است.

فراتر از ضخامت: عوامل طراحی سیستم موثر بر عمر خدمات واقعی

ضخامت دیوار به سادگی یکی از عوامل در طول عمر هیتر گلیکول است. مهمترین چیز مدیریت اکسیژن است. اندازه گیری صحیح مخزن انبساط با پوشش نیتروژن یا دیافراگم منبع اکسیژن را حذف می کند و نرخ خوردگی را تا یک مرتبه کاهش می دهد و امکان استفاده از دیوارهای نازک تر و از نظر حرارتی کارآمدتر را فراهم می کند. دومین مورد چگالی وات است. یک بخاری طولانی تر یا بخاری های متعدد برای کاهش چگالی وات سطحی به 6 وات بر سانتی متر مربع یا کمتر، دمای غلاف را حتی با دیواره 1.8 میلی متری زیر 140 درجه نگه می دارد و اکسیداسیون گلیکول را به طور چشمگیری کاهش می دهد. عامل سوم سرعت سیال است. بخاری های گردشی باید در قسمتی از لوله قرار داده شوند که سرعت جریان حداقل 1.5-2.0 متر بر ثانیه باشد تا از انتقال حرارت آشفته اطمینان حاصل شود و از جوشیدن یا رکود موضعی جلوگیری شود. چهارم کیفیت و نگهداری گلیکول است. برای سرویس در دمای بالا، از گلیکول مهار شده (عوامل بافر و آنتی اکسیدان ها) برای افزایش عمر مایع و کاهش تولید اسید استفاده کنید. ارزیابی منظم pH و قلیائیت ذخیره با جایگزینی مایع زمانی که PH به زیر 6 می‌رسد، از موقعیت‌های اسیدی تهاجمی که نیاز به دیواره‌های بزرگ‌تر دارند، جلوگیری می‌کند.

نتیجه گیری: ضخامت ثابت شده علمی برای سرویس گلیکول قابل اعتماد

The sheath thickness for 316 stainless steel circulation heaters in 20% MEG at 110°C and 4 bar should not be at the extremes. Very thin walls, below 1.0 mm, are not appropriate, as they lack the mechanical resilience for threaded connections and do not give sufficient corrosion allowance for a decade of operation. Very thick walls (>2.0 میلی متر) معکوس هستند، زیرا دمای غلاف را تا محدوده ای افزایش می دهند که اکسیداسیون گلیکول تسریع می شود و همان اسیدهایی را تولید می کند که به فولاد حمله می کنند. محدوده تایید شده علمی برای اکثر کاربردهای صنعتی 1.4-1.8 میلی متر است که عدد دقیق تابعی از روش مدیریت اکسیژن و چگالی وات است. برای یک سیستم پوشش نیتروژن با مخزن انبساط مناسب، 1.4-1.5 میلی متر ضخامت ایده آلی است، به اندازه کافی نازک برای حفظ دمای غلاف زیر 140 درجه در 8 وات بر سانتی متر مربع، اما به اندازه کافی ضخیم برای ایجاد حد خوردگی 0.3-0.4 میلی متر در طول ده سال. برای یک سیستم باز تنفس هوای محیط 1.7-1.8 میلی متر مناسب است اما فقط برای چگالی وات کمتر 6 W/cm 2 یا کمتر. مهندسان باید میزان قرار گرفتن در معرض اکسیژن مورد انتظار، حداکثر دمای غلاف مجاز و چگالی وات مورد نیاز را مشخص کنند. این بحث را از یک بعد ساده به یک مشخصات مهندسی کل سیستم ارتقا می دهد که ضخامت دیواره را به مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد حرارتی در حلقه های گرمایش گلیکول تحت فشار مرتبط می کند.