ضخامت غلاف تایید شده برای گرم کن های جریان فولاد ضد زنگ 316 در 50٪ پروپیلن گلیکول با 2000 ppm کلرید در 90 درجه و شرایط جریان کم چیست؟

تجارت اساسی-در مهار گلیکول با آلودگی کلرید

پروپیلن گلیکول (PG) مایع انتقال حرارت انتخابی در فرآوری مواد غذایی، تولید دارو و کاربردهای دم کردن است که در آن سمیت اتیلن گلیکول غیرقابل قبول است. محلول PG 50% در آب، محافظت خوبی در برابر یخ زدگی در حدود 35- درجه سانتیگراد می دهد و همچنین در صورت تهیه صحیح به عنوان یک بازدارنده خوردگی عمل می کند. با این حال، در مدارهای PG صنعتی، کلریدها تمایل دارند از منابع متعددی مانند مواد پاک کننده باقیمانده، نفوذ آب برج خنک کننده از طریق مبدل های حرارتی یا استفاده از آب آرایشی ساده (نرم نشده) به مدار راه پیدا کنند. PG حفاظت در برابر خوردگی خود را در سطوح کلرید 2000 ppm از دست می دهد، که سطحی است که معمولاً در سیستم ها یا سیستم هایی که نگهداری ضعیفی دارند با نشت آب دریا مشاهده می شود. در دمای عملیاتی 90 درجه و شرایط جریان کم که به نفع رکود لایه مرزی است، فولاد زنگ نزن 316 در معرض خطر قابل توجهی برای خوردگی حفره و شکاف است. در این کاربرد، ضخامت غلاف یک محاسبه کمک هزینه خوردگی ساده نیست، بلکه یک تمرین تأیید برای نشان دادن این است که دیوار انتخابی می تواند در برابر حمله ترکیبی کلریدها، دمای بالا و کاهش انتقال حرارت به دلیل جریان کم مقاومت کند.

مکانیسم ایجاد حفره توسط کلرید در محلول های پروپیلن گلیکول

2000 ppm کلرید در محلول پروپیلن گلیکول 50 درصد در دمای 90 درجه یک محیط تهاجمی برای فیلم غیرفعال روی فولاد ضد زنگ 316 است. پروپیلن گلیکول به خودی خود بازدارندگی ضعیفی دارد، اما مکانیسم بازدارندگی آن به جذب مولکول گلیکول بر روی سطح فلز بستگی دارد. در 90 درجه لایه جذب شده به دلیل حرکت حرارتی کارایی کمتری دارد. یون‌های کلرید بسیار متحرک و ریز هستند و برای مکان‌های سطحی رقابت می‌کنند و پس از شکستن پوشش غیرفعال، باعث ایجاد حفره‌هایی در نقاط ضعیف مانند ادغام سولفید یا خراش‌های روی سطح می‌شوند. دمای بحرانی حفره شدن فولاد ضد زنگ 316 در محلول کلرید 2000 ppm حدود 50-60 درجه به تنهایی در آب است. وجود بازدارنده گلیکول، دمای حفره‌ای بحرانی در پروپیلن گلیکول 50 درصد را حدود 10 تا 15 درجه به حدود 65 تا 75 درجه افزایش می‌دهد. دمای عملیاتی 90 درجه است و بنابراین سیستم بالاتر از دمای حفره‌ای بحرانی کار می‌کند، به طوری که مسئله شروع چاله «اگر» نیست بلکه «زمان» است. هنگامی که یک گودال تشکیل شد، نرخ رشد آن را می توان با یک روند لگاریتمی یا خطی بسته به در دسترس بودن اکسیژن و مقاومت محلول پیش بینی کرد. نتایج منتشر شده برای فولاد ضد زنگ 316 در گلیکول آلوده به کلرید در دمای 90 درجه، نرخ رشد حفره ای 0.2 تا 0.6 میلی متر در سال را برای شرایط هوادهی نشان می دهد. ترانشه ای که با سرعت 0.4 میلی متر در سال منبسط می شود، دیوار 1.5 میلی متری را در 3.75 سال برای بخاری با زمان کارکرد مورد انتظار 5000 ساعت در سال (حدود 60 درصد کار) سوراخ می کند. یک دیوار 2.0 میلی متری آن را تا 5 سال افزایش می دهد. با این حال، این محاسبات بر اساس یک گودال واحد است، در حالی که در واقع تعدادی گودال شروع شده و شکست توسط عمیق ترین گودال کنترل می شود.

اثرات شرایط جریان کم بر خوردگی و تقویت آن

برای این کاربرد، شرایط جریان کم به ویژه مضر است زیرا اجازه می دهد لایه مرزی در سطح غلاف با محصولات خوردگی و یون های کلرید فوق اشباع شود. جابجایی کلریدها به دور از سطح برای سرعت های جریان کمتر از 0.5 متر بر ثانیه به شدت محدود می شود. محتوای کلرید در سطح فلز ممکن است پنج یا ده برابر بیشتر باشد و بنابراین پتانسیل ایجاد حفره را کاهش می دهد. جریان کم همچنین به نفع جوش جزئی یا جوشیدن فیلم در سطح غلاف هنگامی که شار حرارتی قوی است، می شود. تشکیل و فروپاشی حباب ها به طور مکانیکی لایه غیرفعال را تخریب می کند و محلول های کلرید متمرکز محلی را در لایه مایع نازک زیر حباب ایجاد می کند. این مکانیسم منجر به الگوی مشخصه «حلقه حفره‌ای» می‌شود که در اطراف مکان‌های هسته‌زایی حباب در بخاری‌های خراب مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، برای یک بخاری جریان ساخته شده از فولاد ضد زنگ 316 که در دمای توده 90 درجه و چگالی وات غلاف 7-8 W/cm2 استفاده می شود، دمای سطح لایه مرزی می تواند حتی در شرایط جریان کم بالاتر از 110-120 درجه باشد. در این دماها از آستانه حفره ای بحرانی بسیار فراتر رفته و سرعت انتشار گودال می تواند 1-2 میلی متر در سال باشد. بنابراین، ضخامت تأیید شده باید نه تنها غلظت کلرید و دما، بلکه تأثیر تقویت موضعی جریان کم را نیز در نظر بگیرد. ضخامتی که در تنظیمات حجیم کافی به نظر می رسد می تواند در عرض چند ماه زمانی که جریان کمتر از 0.3 متر بر ثانیه است، از بین برود.

فعل و انفعالات هیدرولیک حرارتی محدود کننده حداکثر ضخامت

تأثیر متقابل ضخامت دیوار، انتقال حرارت و جریان کم محدودیت بیشتری را بر حداکثر ضخامت غلاف عملی اعمال می کند. با افزایش ضخامت دیواره، مقاومت حرارتی افزایش می یابد که باعث افزایش دمای سطح غلاف برای همان توان الکتریکی ورودی می شود. در جریان کم، ضریب انتقال حرارت همرفتی در حال حاضر 300-600 W/m²·K با سرعت 0.3 m/s در مقایسه با 1500-2500 W/m²·K در 2 m/s کاهش می‌یابد. یک دیوار ضخیم تر مقاومت رسانا را در سناریوی همرفتی بد افزایش می دهد. افزایش ضخامت دیواره لوله با قطر خارجی 12 میلی‌متر در 50 درصد PG، در 90 درجه، و با سرعت جریان 0.3 متر بر ثانیه از 1.2 میلی‌متر به 2.0 میلی‌متر، دمای غلاف را از 125 درجه به 155 درجه در تراکم وات 7 وات بر سانتی‌متر مربع افزایش می‌دهد. افزایش دمای 30 درجه منجر به افزایش 3 تا 5 برابری میزان حفره کلرید به دنبال رفتار آرنیوس می شود. دیواره ضخیم‌تر، که قرار است اجازه خوردگی را ارائه دهد، در عوض حمله حفره‌ای را چنان سریع می‌کند که طول عمر خالص ممکن است کمتر از دیوار نازک‌تر و خنک‌تر باشد. این خود{26}}حلقه بازخورد شکست‌دهنده به این معنی است که در سیستم‌های گلیکول با جریان کم{27} و با کلرید بالا، محدوده بهینه‌ای از ضخامت وجود دارد که فراتر از آن، فلز بیشتری به جای افزایش عمر، عمر آن را کاهش می‌دهد. داده‌های صحرایی تأیید شده برای بخاری‌های گردشی آبجوسازی و صنایع غذایی نشان می‌دهد که برای اکثر سیستم‌های PG 50 درصد با آلودگی کلرید، بهترین حالت بین 1.4 تا 1.8 میلی‌متر است.

توصیه های ضخامت تایید شده برای رژیم های جریان مختلف

در جایی که می توان مطمئن شد که سرعت جریان همیشه بالاتر از 1.0 متر بر ثانیه است، ضخامت 1.5-1.7 میلی متر در حضور 2000 ppm کلرید به مدت پنج سال خدمات قابل اعتمادی را ارائه می دهد. ضخامت متوسط ​​دمای غلاف را در تراکم وات معمولی زیر 120 درجه نگه می دارد و جریان آشفته از غلظت کلر در سطح جلوگیری می کند. حداقل ضخامت تایید شده برای سیستم هایی با جریان متناوب یا جایی که جریان می تواند کمتر از 0.5 متر بر ثانیه در برخی از مراحل عملیاتی شود 1.8-2.0 میلی متر می شود. این فلز اضافی برای جلوگیری از خوردگی آنقدر نیست که حفره های سریعی را که در جریان جریان کم رخ می دهد تحمل کند. با این حال، برای دیوار 2.0 میلی متر، چگالی وات باید به 5-6 W/cm2 محدود شود تا دمای غلاف در جریان کم کمتر از 135 درجه باشد. در صورتی که امکان کاهش چگالی وات به دلیل محدودیت فضا یا ظرفیت گرمایش وجود نداشته باشد، ضخامت باید به 1.5-1.6 میلی متر محدود شود تا از شتاب حرارتی خوردگی جلوگیری شود، و مالک سیستم باید یک عمر کوتاه تر از سه تا چهار سال را بپذیرد. ضخامت در شرایط راکد، جوش موضعی اجتناب ناپذیر است و دمای سطح بالا، محتوای کلرید و عملکرد حباب مکانیکی در یک تا دو سال از هر ضخامت عملی عبور می کند. در چنین شرایطی یک غلاف تیتانیوم یا بخاری Incoloy 825 باید مشخص شود.

تأیید از طریق آزمایش خوردگی و داده های میدانی

سه منبع شواهدی که از توصیه‌های بالا برای ضخامت پشتیبانی می‌کنند عبارتند از: عمق حفره‌ای 0.2-0.3 میلی‌متر در سال در آزمایش‌های هم زده (جریان بالا) و 0.5-0.8 میلی‌متر در سال در آزمایش‌های هم زده نشده (جریان کم) در طول آزمایش غوطه‌ورسازی آزمایشگاهی 316 فولاد ضد زنگ 316 کوپن فولاد ضد زنگ در کوپن‌های فولاد ضد زنگ 1% 0 pm 09 در ppm 090 درجه سانتی‌گراد با کوپن 05 ppm 09 در ppm 05 مشاهده شد. . دوم، بازرسی میدانی بخاری‌های گردشی که پس از سه تا پنج سال از سرویس خارج شده‌اند در حلقه‌های گلیکول کارخانه مواد غذایی که سطوح کلرید آن در ppm 2500-1500 گزارش شده است، نشان می‌دهد که واحدهایی با دیواره‌های 1.5-1.6 میلی‌متر و جریان آشفته دارای حداکثر عمق گودال 0.4-0.7 میلی‌متر دیواره هستند. واحدهایی با دیواره های 2.0-2.2 میلی متر و جریان ضعیف دارای عمق گودال 0.8-1.2 میلی متر هستند نه به دلیل مواد مقاوم تر، بلکه به دلیل افزایش ضخامت دیواره دمای سطح را افزایش داده و حمله را تسریع می کند. سوم، اسکن های پلاریزاسیون الکتروشیمیایی فولاد ضد زنگ 316 در PG آلوده به کلرید در دمای 80 تا 100 درجه نشان می دهد که پتانسیل حفره ای به شدت بالای 100 درجه کاهش می یابد و تأیید می کند که نگه داشتن دمای غلاف زیر این آستانه مهم تر از افزودن ضخامت است.

نتیجه گیری: محدوده تایید شده ضخامت برای خدمات قابل اعتماد

یک محدوده معتبر برای تعیین ضخامت غلاف برای بخاری‌های جریان فولاد ضد زنگ 316 در 50٪ پروپیلن گلیکول با 2000 ppm کلرید در 90 درجه در شرایط جریان کم برای متعادل کردن مقاومت حفره‌ای و شتاب حرارتی مورد نیاز است. برای سیستم‌هایی با طراحی خوب، با سرعت جریان 1.0 متر بر ثانیه و چگالی وات 6{18}}8 وات بر سانتی‌متر مربع، ضخامت 1.5-1.7 میلی‌متر عمر مفید 5 ساله معتبری می‌دهد. برای سیستم هایی با سرعت جریان عملیاتی معمولی زیر 0.5 متر بر ثانیه، ضخامت باید به 1.8-2.0 میلی متر افزایش یابد، اما تنها در صورتی که چگالی وات به طور همزمان به 5-6 وات بر سانتی متر مربع کاهش یابد. هیچ سیستمی که در آن رکود جریان می تواند رخ دهد برای فولاد ضد زنگ 316 صرف نظر از ضخامت آن قابل قبول نیست. مهندسانی که بخاری را برای این محیط دشوار مشخص می کنند باید نه تنها ضخامت دیوار، بلکه کمترین سرعت جریان مجاز، حداکثر چگالی وات و روش تأیید (تست کوپن یا نظارت الکتروشیمیایی) را که باید در حین سرویس دنبال شود را مشخص کنند. این یک نیاز ابعادی اساسی را به یک تکنیک مدیریت خوردگی معتبر تغییر می دهد که مستقیماً ضخامت دیواره را با مقاومت حفره ای و عملکرد حرارتی در سیستم های گلیکول آلوده به کلرید مرتبط می کند.