چه زمانی چگالی توان یک بخاری غلاف فولادی ضد زنگ 316 در سرویس آبی از حد بحرانی برای جوش موضعی تجاوز می کند-مقیاس القایی و خوردگی

یک معیار شار حرارتی سطحی برای تمایز بین حرارت خیس شده و آسیب جوش فیلم

در مورد 316 لوله گرمایش الکتریکی فولاد ضد زنگ که به طور کامل در محلول های آبی غوطه ور شده اند، چگالی توان اعمال شده (وات بر سانتی متر مربع [W/cm2] سطح غلاف) نه تنها میزان انتقال حرارت، بلکه وضعیت فیزیکی مایع را در مجاورت سطح فلز نیز کنترل می کند. بخاری در رژیم جوش هسته ای کار می کند که در آن حباب های بخار تشکیل می شوند، جدا می شوند و بدون ایجاد یک پوشش بخار مداوم در چگالی توان کمتر از یک مقدار بحرانی فرو می ریزند. در آستانه بیشتر، غلاف وارد یک رژیم جوش فیلم می شود، جایی که مایع توسط یک فیلم بخار پایدار از فلز عایق می شود و باعث افزایش سریع دمای غلاف می شود. بین این دو رژیم یک محدوده چگالی توان انتقالی وجود دارد که در آن جوش متناوب موضعی فیلم منجر به چرخه حرارتی شدید، رسوب سریع مقیاس و نرخ‌های خوردگی بالا می‌شود. این مقاله محدودیت‌های چگالی توان بحرانی را برای 316 غلاف فولاد ضد زنگ در آب و محلول‌های آبی محاسبه می‌کند و یک چارچوب طراحی برای کاهش مکانیسم‌های آسیب پنهان ناشی از فراتر رفتن از این محدودیت‌ها ارائه می‌کند.

رژیم های انتقال حرارت و محدودیت های فیزیکی آنها برای غلاف های غوطه ور

سه رژیم جوش برای آب گرم شده توسط یک غلاف فولادی ضد زنگ 316 در فشار اتمسفر با افزایش چگالی توان مشاهده می شود. در رژیم همرفت طبیعی (اغلب کمتر از 1-2 وات بر سانتی متر مربع برای آب تمیز)، هیچ حبابی تشکیل نمی شود و گرما تنها از طریق رسانش و همرفت طبیعی در لایه مرزی مایع منتقل می شود. در رژیم جوش هسته ای (حدود 2-15 وات بر سانتی متر مربع بسته به پرداخت سطح و زیرخنک شدن) حباب های بخار جدا شده در مکان های هسته سازی ایجاد می شوند، از طریق انتشار گسترش می یابند، جدا می شوند و در مایع حجیم سردتر فرو می ریزند. این رژیم دارای بزرگترین ضرایب انتقال حرارت (5000-20000 W/m2.K) با دمای غلاف فقط 5-20 درجه بالاتر از دمای نقطه جوش مایع حجیم است. در شار حرارتی بحرانی (CHF)، معمولاً 12-18 وات بر سانتی‌متر مربع برای یک غلاف تمیز 316 در آب در دمای 100 درجه، تولید حباب آنقدر شدید است که حباب‌های همسایه به هم می‌پیوندند و یک فیلم بخار پیوسته را تشکیل می‌دهند. این رژیم جوش فیلم، برای همان قدرت اعمالی، باعث می شود دمای غلاف از حدود 120-130 درجه به بیش از 400-600 درجه افزایش یابد، به دلیل رسانایی حرارتی 20-30 برابر ضعیف تر از آب. دمای بالای غلاف باعث افزایش اکسیداسیون سطح 316 می شود، نمک های محلول را به عنوان رسوب چسبنده رسوب می دهد و در شرایط شدید باعث برآمدگی لوله یا شکستگی ناشی از فشار داخلی می شود. برای طراحی بخاری صنعتی، کارکرد زیر 80 درصد CHF حاشیه عملیاتی ایمن را برای جلوگیری از جوشیدن فیلم در شرایط عادی سیال ارائه می دهد.

اثرات جامدات محلول بر آستانه چگالی توان بحرانی

نمک های محلول CHF را برای 316 غلاف به طور قابل توجهی کاهش می دهند، به ویژه بی کربنات کلسیم، کلرید سدیم و سولفات منیزیم. هر یک از این املاح، ویسکوزیته و کشش سطحی مایع را افزایش داده و چگالی احتمالی محل هسته‌زایی را کاهش می‌دهد. آزمایش‌های سیستماتیک در آب خنک‌کننده مصنوعی (سختی 300 ppm به عنوان CaCO3) نشان می‌دهد که CHF از حدود 15 وات بر سانتی‌متر مربع در آب مقطر به 10 تا 11 وات بر سانتی‌متر مربع در دمای توده 80 درجه کاهش می‌یابد. این کاهش به دلیل این واقعیت است که رسوب روی سطح غلاف، حتی یک لایه آمورف بسیار نازک با ضخامت کمتر از 50 میکرومتر، مقاومت حرارتی بین فلز و مایع را افزایش می‌دهد و از این رو دمای سطح فلز با همان توان اعمالی افزایش می‌یابد. افزایش دما رسوب مقیاس را بیشتر افزایش می دهد و یک حلقه بازخورد مثبت به نام جوش فیلم ناشی از رسوب ایجاد می کند. برای یک غلاف 316 با سرعت 12 وات بر سانتی‌متر مربع که در آب سخت کار می‌کند، دمای غلاف ممکن است 110 درجه باشد (جوش هسته‌ای) اما پس از 100 ساعت کار، یک لایه مقیاس 0.1 میلی‌متری دمای فلز را بیش از 200 درجه افزایش می‌دهد و شاید باعث جوشیدن فیلم شود، حتی اگر چگالی توان تغییر نکرده باشد. هنگامی که جوش فیلم برقرار شد، خود لایه رسوب می‌تواند به یک رسوب{20}سختی مانند شیشه تبدیل شود که باید به صورت مکانیکی جدا شود. مفهوم عملی این است که حداکثر چگالی توان ایمن برای غلاف 316 در آب تصفیه نشده تنها 5-6 وات بر سانتی‌متر مربع- کمتر از نصف CHF آب مقطر است - زمانی که عملیات طولانی‌مدت بدون تمیز کردن ضروری است.

شتاب خوردگی فراتر از چگالی توان آستانه جوش هسته ای

علاوه بر تهدید مستقیم جوش و گرمای بیش از حد فیلم، استفاده از غلاف 316 در ناحیه جوش هسته بالایی (بالاتر از حدود 8 وات بر سانتی‌متر مربع در آب تمیز، 4{6}}5 وات بر سانتی‌متر مربع در آب سخت) از طریق دو مکانیسم باعث افزایش سرعت خوردگی موضعی می‌شود. اولی پلاریزاسیون غلظت است که در آن تشکیل و جدا شدن حباب های بخار غلظت املاح غیرفرار{18} را در مایع باقی مانده در سطح فلز افزایش می دهد. به عنوان مثال، یون های کلرید را می توان 100-10 بار در فصل مشترک جوش متمرکز کرد، در نتیجه یک محیط محلی ایجاد می شود که در غیر این صورت به غلظت کلرید 10000-50000 ppm برای ایجاد حفره نیاز دارد. مکانیسم دوم، خوردگی گالوانیکی ناشی از گرادیان حرارتی است. سطح فلز در زیر حباب در حال رشد (جایی که تماس مایع حفظ می شود) در دمای کمی بالاتر از مناطقی است که درست پس از خروج حباب ایجاد می کند که اختلاف دمایی 2-5 درجه ایجاد می کند که منجر به اختلاف پتانسیل خوردگی قابل اندازه گیری می شود. با گذشت زمان، این تفاوت منجر به حمله موضعی به مکان‌های هسته‌زایی حباب می‌شود که به صورت حفره‌های دایره‌ای کوچک (معمولاً با قطر 0.5 تا 2.0 میلی‌متر) ظاهر می‌شوند که از نظر قطر با حباب در حال خروج یکسان است. نتایج آزمایش غوطه‌وری طولانی‌مدت این یافته را تایید می‌کند که یک غلاف 316 که در 10 وات بر سانتی‌متر مربع در آب کلرید 500 پی‌پی‌ام در دمای 100 درجه کار می‌کند، دارای چگالی حفره‌ای 5 تا 8 برابر بیشتر از همان غلاف با 3 وات بر سانتی‌متر مربع تحت شرایط سیال معادل است. جدول زیر محدودیت های چگالی توان را برای 316 غلاف بسته به کیفیت آب و نحوه عملکرد نشان می دهد.

کیفیت آب / شرایط حداکثر چگالی توان پیوسته برای جوش هسته ای (W/cm2) حداکثر چگالی توان وظیفه متناوب (<10 min on/off) (W/cm2) Primary Failure Mode Above Limit Recommended Application
تمیز کردن 12-14 16-18 جوشاندن فیلم → پوشش بخار → فرسودگی-مخازن آبکشی با خلوص بالا، بخاری های آزمایشگاهی آب مقطر یا دیونیزه
آب نرم کم کلرید (<100 ppm hardness) 8‑10 12‑14 Chloride concentration polarisation → pitting Closed loop heating systems, treated boiler feed
آب لوله کشی شهری (سختی 100-300 ppm) 5-7 9-11 مقیاس، رسوبات متخلخل باعث جوشیدن فیلم می شود گرمایش مخزن صنعتی عمومی، تمیز کردن گاه به گاه
آب سخت (سختی 300-500 ppm) 3-5 6-8 تشکیل سریع مقیاس، گرمای بیش از حد، حفره‌داری استفاده محدود. پیشنهاد نرم شدن آب
آب دریا یا آب شور (15,000-35,000 ppm TDS) 2-3 4-5 حفره شدید + کلر SCC 316 نامناسب؛ تیتانیوم یا اینکونل
آب با خلوص بالا با رسانایی کم 6‑8 10‑12 گرمای بیش از حد موضعی در نقاط جوش کم پیش گرمکن برای سیستم های اسمز معکوس
آب حاوی ذرات معلق یا مواد آلی 2‑4 5‑7 فرسایش ترکیبی-خوردگی و رسوب فیلتراسیون یا سایر روش‌های گرمایش مورد نیاز
تعیین عملی چگالی توان عملیاتی برای بخاری های موجود و مشخص

برای مهندسان طراح که یک بخاری غلاف 316 جدید را انتخاب می کنند، چگالی توان به صورت کل وات تقسیم بر سطح غلاف خیس شده (بدون احتساب بخش های غوطه ور نشده) محاسبه می شود. برای مثال یک بخاری 3000 وات با 300 میلی‌متر طول غوطه‌ور شده و 12 میلی‌متر قطر بیرونی، مساحتی در حدود 113 سانتی‌متر مربع دارد که چگالی توان 26.5 وات بر سانتی‌متر2 - را به‌طور قابل‌توجهی بالاتر از هر حد ایمن برای استفاده در آب می‌دهد. چنین بخاری در چند ساعت پس از جوشیدن فیلم از کار می افتد. چگالی توان ایمن در محدوده 3{12}}8 وات بر سانتی‌متر مربع برای کیفیت آب معمولی است، که به طول غلاف طولانی‌تر یا چندین آرایش لوله U{15}}برای توزیع جریان گرما نیاز دارد. برای بخاری هایی که قبلاً در حال کار هستند، جوشیدن فیلم اغلب با سیگنال های شنیداری مانند صدای خش خش یا کندوپاش همراه است. این به طور قابل توجهی با صدای کم صدای جوشان هسته متفاوت است. تغییر رنگ سطح، به ویژه لایه های اکسید آبی، بنفش یا سیاه، شواهدی از بیش از 250 تا 300 درجه غلاف است، که نشان می دهد جوش فیلم اتفاق افتاده است. قابل اطمینان ترین تشخیص، اندازه گیری ترموکوپل دمای سطح غلاف است (با استفاده از یک پروب تماسی با جبران اثر سینک حرارتی خود پروب). در آب جوش در فشار اتمسفر، دمای سطح بالای 130 درجه نشانه روشنی از جوشیدن فیلم یا پوسته پوسته شدن شدید است.

نتیجه گیری: کاهش چگالی توان به عنوان کنترل اصلی برای عمر طولانی غلاف

چگالی توان یک بخاری با پوشش فولاد ضد زنگ 316 در عملیات آبی نه تنها یک معیار عملکرد است، بلکه متغیر غالبی است که تعیین می کند آیا بخاری در جوش هسته ای به طور ایمن عمل می کند یا خود را با جوشیدن فیلم و خوردگی تسریع شده از بین می برد. برای آب مقطر تمیز، حداکثر چگالی توان پیوسته قابل قبول حدود 12 وات بر سانتی متر مربع است. با این حال، این حد با افزایش سختی، محتوای کلرید و کل جامدات محلول به سرعت کاهش می یابد. برای آب لوله کشی معمولی صنعتی، حداکثر 5-7 W/cm$^2$ امکان کارکرد طولانی مدت قابل اعتماد را بدون پوسته پوسته شدن یا سوراخ شدن قابل توجه می دهد. مهندسان باید چگالی توان را به صراحت از ابعاد غلاف و وات محاسبه کنند و نتیجه را با محدودیت‌های جدول بالا بر اساس داده‌های واقعی کیفیت آب مقایسه کنند. کاهش وات یا افزایش طول گرم شده برای تعیین چگالی توان کمتر تقریباً معمولاً مقرون به صرفه تر از جایگزینی مبدل های حرارتی یا مخازن کامل پس از خرابی به دلیل جوشیدن فیلم است. الگوی شرح داده شده در اینجا، مربوط به چگالی توان با محدودیت های فیزیکی جوش هسته، به خریدار وسیله ای برای طراحی 316 بخاری محفظه ای می دهد که هم انتقال حرارت کارآمد و هم عمر مفید قابل پیش بینی را در شرایط آبی فراهم می کند.