ضخامت غلاف تایید شده برای بخاری های فولادی ضد زنگ 316 در محلول نیترات آمونیوم 25 درصد در 110 درجه با فشار 3 بار و بدون کلرید چقدر است

خدمات کود اکسید کننده: تجارت اساسی-خاموش است

محلول 25% نیترات آمونیوم (NH4NO3) یک واسطه رایج در تولید کود و به عنوان سیال انتقال حرارت در برخی از عملیات صنعتی است. اتمسفر در دمای 110 درجه سانتیگراد و فشار 3 بار به دلیل وجود یون نیترات که یک بازدارنده کاتدی است و در واقع فولاد زنگ نزن 316 را غیرفعال می کند، به شدت اکسید می شود. هنگام استفاده از محلول های حاوی کلرید، ایجاد حفره نگرانی اصلی است. در مورد نیترات آمونیوم باید از دو مکانیسم شکست مختلف آگاه بود: ترک خوردگی تنشی در محلول های نیترات غلیظ و خوردگی عمومی اگر PH خارج از محدوده پایدار قرار گیرد. بدون کلرید تصمیم گیری ضخامت بسیار آسان تر است. برای این عملکرد، ضخامت غلاف تایید شده توسط یکپارچگی مکانیکی، میزان خوردگی یکنواخت، و مقاومت در برابر ترک ناشی از نیترات تنظیم می‌شود. راندمان حرارتی یک نکته جزئی اما مهم است.

رفتار الکتروشیمیایی در محلول‌های NO3

یون نیترات یک عامل اکسید کننده بسیار قوی است و از لایه غیرفعال فولاد ضد زنگ 316 در طیف وسیعی از دما و غلظت محافظت می کند. پتانسیل خوردگی در نیترات آمونیوم 25 درصد در دمای 110 درجه سانتی گراد به طور متوسط ​​بین +200 و +400 میلی ولت در مقابل الکترود مرجع نقره-کلرید نقره است و به خوبی در ناحیه غیرفعال قرار دارد. نرخ خوردگی یکنواخت در چنین محیط‌هایی بسیار کم است، به ترتیب 0.002-0.008 میلی‌متر در سال بر اساس مطالعات کاهش وزن تجهیزات مورد استفاده در تجارت کود. میزان خوردگی یکنواخت برای ده سال 0.02-0.08 میلی متر برای بخاری دیواری 1.2 میلی متر و فلز صدا بیش از 1.1 میلی متر است. در این کاربرد، ضخامت توسط خوردگی یکنواخت هدایت نمی شود. اگر PH محلول بین 4 تا 9 باشد، فیلم غیرفعال پایدار است. یون آمونیوم یک اسید ضعیف است، از این رو محلول‌های نیترات آمونیوم به طور طبیعی دارای pH در محدوده 5-6 هستند که یک محدوده pH پایدار است. در صورت آلوده شدن محلول به اسید (ناشی از اختلالات فرآیند بالادست) یا قلیایی (ناشی از مواد پاک کننده)، سرعت خوردگی می تواند افزایش یابد. با این حال، چنین ناراحتی ها معمولا کوتاه مدت هستند و نیازی به خوردگی زیاد ندارند.

خطر ترک خوردگی ناشی از استرس نیترات

ترک خوردگی تنشی (SCC) نگرانی اصلی برای فولاد ضد زنگ 316 در محلول های نیترات آمونیوم داغ است. نیترات SCC به طور گسترده برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی ایجاد شده است و حساسیت با دما و غلظت نیترات افزایش می یابد. در دمای 110 درجه سانتی گراد و 25 درصد نیترات آمونیوم، خطر SCC متوسط ​​است، اما ناچیز نیست. عوامل مهم برای شروع SCC تنش کششی (از تولید یا فشار) و وجود یک پوشش نیترات متمرکز بر روی سطح است. SCC نیترات می تواند در یک محدوده پتانسیل گسترده ایجاد شود، در حالی که SCC کلرید در پتانسیل های خاص رخ می دهد. نرخ انتشار ترک نیترات SCC در فولاد ضد زنگ 316 در دمای 110 درجه سانتیگراد معمولاً 0.05{20}}0.2 میلی متر در سال پس از شروع است. نگرانی اساسی برای غلاف بخاری، تنش های کششی باقیمانده ناشی از کشش و خمش لوله است. به طور کلی، هرچه ضخامت دیوار کمتر باشد، تنش های پسماند کمتر می شود، زیرا برای رسیدن به بعد نهایی، کار سرد کمتری لازم است. یک لوله کشیده شده 1.2 میلی متری معمولاً دارای تنش های حلقه باقی مانده 50-100 مگاپاسکال است، در حالی که یک لوله 2.0 میلی متری ممکن است 80-150 مگاپاسکال داشته باشد. دیواره ضخیم تر دارای تنش پسماند بالاتری است که احتمال شروع SCC را افزایش می دهد. تجربه میدانی واقعی با اواپراتورهای نیترات آمونیوم نشان داده است که بخاری‌های فولادی ضد زنگ 316 با دیواره نازک (1.2-1.5 میلی‌متر) به طور ثابت از بخاری‌های دیواره ضخیم (2.0-2.5 میلی‌متر) دوام دارند. تجزیه و تحلیل خرابی نشان داده است که خرابی های دیوار ضخیم توسط SCC ایجاد می شود در حالی که دیوارهای نازک پس از سرویس طولانی به دلیل سایر علل غیر خوردگی شکست می خورند.

نوار مهار فشار - 3

در فشار سیستم 3 بار، نیاز به تنش حلقه بسیار کم است. برای لوله‌ای با OD=12 میلی‌متر و دیواره=1.2 میلی‌متر، تنش حلقه‌ای 0.3 مگاپاسکال x 4.8 میلی‌متر / 1.2 میلی‌متر=1.2 مگاپاسکال است. برای دیواری که 2.0 میلی‌متر است، تنش 0.3 مگاپاسکال x 4.0 میلی‌متر/2.0 میلی‌متر=0.6 مگاپاسکال است. هر دو در مقایسه با قدرت تسلیم 170 مگاپاسکال کوچک هستند. ضخامت محفظه فشار لازم نیست خاص باشد. اما بخاری باید از نظر مکانیکی به اندازه کافی قوی باشد تا در برابر گشتاور نصب در اتصالات رزوه ای مقاومت کند. برای درگیری مطمئن به حداقل ضخامت درگیری نخ 1.0-1.2 میلی متر نیاز دارید. کمتر از 1.0 میلی متر، خطر جدا شدن یا اعوجاج نخ به طور قابل توجهی افزایش می یابد، به ویژه در بخاری های با قطر بزرگتر.

نیازهای گرمایش فرآیند و راندمان حرارتی

رسانایی گرمایی محلول‌های نیترات آمونیوم با رسانایی آب قابل مقایسه است، یعنی . 0.60-0.65 W/m K در دمای ۱۱۰ درجه سانتی‌گراد. ضریب انتقال حرارت همرفتی برای جریان آشفته 1000-2000 W/m²·K بسته به سرعت است. مقاومت حرارتی غلاف حدود 0.0004 m²·K/W برای ضخامت دیواره 1.2 میلی متر و 0.0007 m²·K/W برای ضخامت دیواره 2.0 میلی متر است. این تفاوت مربوط به اختلاف دمای غلاف 3-4 درجه سانتیگراد در چگالی وات 10 W/cm² (معمول برای بخاری های گردشی) است. برای فرآیندی که مستعد گرمای بیش از حد موضعی است، حفظ دمای غلاف تا حد امکان بسیار مهم است. نیترات آمونیوم می تواند بیش از 180 درجه سانتیگراد به طور گرمازایی تجزیه شود. یک دیوار 1.2 میلی متری محلول حجیم 110 درجه سانتی گراد را با سرعت 10 وات بر سانتی متر مربع تا حدود 125 تا 130 درجه سانتی گراد در سطح غلاف گرم می کند. یک دیوار 2.0 میلی متری در 128-134 درجه کار می کند. دمای تجزیه نیترات آمونیوم حدود 200 درجه است. با این حال هر دو بسیار کمتر هستند و تفاوت حرارتی ایمنی قابل توجهی نیست. با این حال، دیوار نازک تر برای بهره وری انرژی کمی بهتر است.

دستورالعمل های ضخامت تایید شده از تجربه صنعت

بخش کود دارای تجربه عملیاتی زیادی با 316 تجهیزات فولاد ضد زنگ در خدمات نیترات آمونیوم است. هیترهای غوطه وری و گردش دارای محدوده ضخامت غلاف 1.2-1.6 میلی متر برای قابلیت اطمینان طولانی مدت هستند. استفاده از دیواره‌های نازک‌تر زیر 1.0 میلی‌متر به دلیل مشکلات مکانیکی جلوگیری می‌شود. از دیوارهای ضخیم‌تر بالای 1.8 میلی‌متر نیز اجتناب می‌شود، زیرا تنش پسماند بالاتر و احتمال بیشتری برای خرابی SCC را نشان می‌دهند. در محدوده ثابت شده، 1.4-1.5 میلی متر بهترین مصالحه در نظر گرفته می شود، به اندازه کافی ضخیم برای استحکام مکانیکی و مقدار خوردگی متوسط، اما به اندازه کافی نازک برای به حداقل رساندن تنش پسماند و خطر SCC. برای طول عمر طراحی 10 سال در نیترات آمونیوم 25 درصد در دمای 110 درجه سانتی گراد و فشار 3 بار بدون کلرید، ضخامت دیواره 1.4 میلی متر کاملاً کافی است. امکاناتی که استانداردهای حمل و نقل خوبی دارند نیز ممکن است از دیوار 1.2 میلی متری استفاده کنند. دیوار 1.6 میلی متری حاشیه مکانیکی اضافی ایجاد می کند اما هیچ مزیتی در برابر خوردگی یا SCC نسبت به 1.4 میلی متر ایجاد نمی کند.

دیوارهای ضخیم تر که در واقع بدتر هستند

دیوارهای ضخیم تر در سرویس نیترات آمونیوم مورد نیاز نیستند و ممکن است خطرناک باشند. افزایش تنش های پسماند ناشی از ساخت لوله های ضخیم تر، نیروی محرکه برای شروع SCC را افزایش می دهد. هنگامی که یک ترک ایجاد می شود، دیواره ضخیم تر دارای مواد بیشتری برای شکستن است اما نرخ رشد ترک مستقل از ضخامت است. یک دیوار 2.0 میلی متری با رشد ترک 0.1 میلی متر در سال 20 سال طول می کشد تا سوراخ شود، یک دیوار 1.2 میلی متری 12 سال طول می کشد. اما دیوار ضخیم تر، خطر ترک خوردگی بیشتری دارد. داده‌های میدانی از کارخانه‌های نیترات آمونیوم نشان می‌دهد که بخاری‌های با دیواره‌های 2.0-2.5 میلی‌متر در 3-6 سال از SCC خراب می‌شوند، در حالی که بخاری‌هایی با دیواره‌های 1.2-1.5 میلی‌متری از همان کارخانه به مدت 8-12 سال کار می‌کنند و اغلب در اثر تخریب عایق الکتریکی، به جای سوراخ شدن غلاف، خراب می‌شوند. نتیجه اثبات شده این است که دیواره های نازک تر در شرایط SCC نیترات به دلیل کاهش کرنش های باقیمانده برتر هستند.

مقایسه انتخاب های ضخامت تایید شده

تنش حلقه باقیمانده احتمال شروع SCC ضخامت غلاف خوردگی یکنواخت (10 سال) استحکام مکانیکی عمر سرویس ثابت شده در میدان
1.0 میلی متر 40-80 مگاپاسکال کم 0.02-0.08 میلی متر حاشیه 8-10 سال (بستگی به جابجایی دارد)
1.2 میلی متر 50-90 مگاپاسکال کم 0.02-0.08 میلی متر کافی 10-12 سال
1.4 میلی متر 60-100 مگاپاسکال کم-متوسط ​​0.02-0.08 میلی متر خوب 10-12 سال (بهتر)
1.6 میلی متر 70-110 مگاپاسکال متوسط ​​0.02-0.08 میلی متر 8-10 سال بسیار خوب
2.0 میلی متر 90-140 مگاپاسکال متوسط-بالا 0.02-0.08 میلی متر عالی 5-7 سال (محدودیت SCC)
2.5 میلی‌متر 110{4}}160 مگاپاسکال بالا 0.02-0.08 میلی‌متر عالی 3-5 سال (محدودیت SCC)
نتیجه گیری: ضخامت برای قابلیت اطمینان طولانی مدت تایید شده است

316 بخاری فولاد ضد زنگ در محلول نیترات آمونیوم 25 درصد در دمای 110 درجه سانتی گراد با فشار 3 بار بدون کلرید، محدوده ضخامت غلاف ثابت شده بین 1.2-1.6 میلی متر با 1.4-1.5 میلی متر است که برای اکثر تاسیسات مناسب است. از نقطه نظر خوردگی، دیوارهای نازک کمتر از 1.2 میلی متر قابل قبول هستند، اما در حین نصب و تمیز کردن در معرض آسیب مکانیکی هستند. دیواره‌های ضخیم‌تر بالای 1.6 میلی‌متر دارای تنش‌های پسماند بزرگ‌تری هستند که خطر ترک خوردگی ناشی از تنش نیترات را افزایش می‌دهند و از این رو، حتی با وجود مقدار فلز بیشتر، طول عمر کمتری دارند. این برخلاف فرض مهندسی عمومی است که در این محیط ضخیم تر همیشه برای مقاومت در برابر خوردگی بهتر است. این به دلیل این واقعیت است که مکانیسم شکست اصلی (SCC) توسط تنش پسماند هدایت می شود که با ضخامت افزایش می یابد. مهندسانی که بخاری را برای نیترات آمونیوم انتخاب می کنند باید حداکثر تنش پسماند مجاز (معمولا 100 مگاپاسکال) را به جای حداقل ضخامت مشخص کنند. این تضمین می کند که تولید کننده از لوله های آنیل شده مناسب با تنش پسماند کم استفاده می کند که از ضخامت مطلق دیواره مهم تر است. اکثر کاربردها را می توان با 1.4-1.5 میلی متر در شرایط آنیل شده با محلول مشخص کرد تا ترکیب تایید شده ای از استحکام مکانیکی، مقاومت SCC و راندمان حرارتی برای یک عمر ده ساله ارائه شود.