Какова стоимость-Оптимизированная толщина оболочки для нагревателей резервуаров для хранения из нержавеющей стали 316 в 30 % растворе гидроксида натрия при температуре 50 градусов и расчетном сроке службы пять- лет

Основной компромисс-при использовании среднетемпературной каустики

30% гидроксид натрия при 50 градусах является типичным, хотя и часто неверно истолковываемым, применением погружных нагревателей из нержавеющей стали 316 в резервуарах для хранения гидроксида натрия. При этой температуре и концентрации нержавеющая сталь 316 обычно устойчива к коррозии. За счет создания устойчивого защитного пассивного покрытия в концентрированной едкой среде скорости равномерной коррозии очень низкие (обычно 0,01–0,03 мм в год). Только на основе равномерного воздействия стена толщиной 1,0 мм теоретически может прослужить от 33 до 100 лет. Настоящая опасность заключается не в широко распространенной коррозии, а в двух локальных явлениях: коррозионном растрескивании под напряжением на границе раздела жидкость-пар и точечная коррозия из-за загрязнения хлоридами, попавшего во время наполнения, или из-за нечистой щелочной подачи. Таким образом, оптимизированная по стоимости толщина оболочки для расчетного срока службы в пять лет определяется не допуском на коррозию в классическом смысле, а минимальной толщиной, позволяющей выдержать локальные повреждения, обеспечить механическую надежность при установке и очистке и исключить ненужные затраты на материалы. Реальная толщина,-оптимизированная по затратам, разработана в этом исследовании на основе компромисса-между стоимостью материала и сроком службы,-с поправкой на риск.

Пятилетний-допуск на единую защиту от коррозии в течение пяти лет

Данные о коррозии нержавеющей стали марки 316 в 30%-ном растворе гидроксида натрия при 50 градусах, опубликованные NACE и ASTM International, указывают на равномерную скорость коррозии 0,01-0,03 мм/год в аэрированных условиях и даже ниже (0,005-0,015 мм/год) в деаэрированных условиях, типичных для хранящегося каустика, который израсходовал растворенный кислород. Суммарная равномерная потеря металла составляет 0,05-0,15 мм за пять лет. Минимальная толщина оболочки из нержавеющей стали 316 для сохранения герметичности и механической прочности составляет около 0,4-0,5 мм. Если добавить к этому минимуму пятилетний допуск на коррозию, то теоретически необходимая толщина составит 0,45–0,65 мм. Толщина более 0,7 мм не обеспечивает постоянной коррозионной стойкости. Все стенки толщиной 1,2 мм, 1,5 мм и 2,0 мм, предлагаемые производителями обогревателей, значительно превышают этот минимум. С точки зрения чисто равномерной коррозии самая тонкая коммерчески доступная оболочка (обычно 1,0–1,2 мм) более чем подходит для расчетного пятилетнего срока службы.

Риск локализованной атаки и требование к нарушению маржи

The uniform corrosion is small but the localised attack due to chloride contamination or due to the creation of caustic concentration cells at the liquid-vapor interface demands greater metal reserve. Technical sodium hydroxide usually comprises 50-500 ppm chloride as a contaminant from the production process (membrane cell or diaphragm cell procedures). 316 stainless steel in 30% caustic with 200 ppm chlorides has a critical pitting temperature of >60 градусов при 50 градусах, поэтому в типичных условиях точечная коррозия не ожидается. Однако локальные концентрации хлоридов могут возникать на поверхности оболочки во время циклов испарения, если резервуар нагревается, а затем ему дают остыть или если нагреватель периодически включается и выключается. В таких условиях шока в течение короткого времени возможны скорости питтинга, достигающие 0,1–0,3 мм/год. Даже всего один месяц неурегулированных условий может привести к образованию ям глубиной 0,025-0,075 мм за пять лет. Что еще более важно, для возникновения коррозионного растрескивания под напряжением на границе раздела жидкость-пар и жидкость требуется сочетание растягивающего напряжения, концентрации щелочи и повышенной температуры. Риск CSCC при 50 градусах невелик, но не равен нулю. Если начать, скорость роста трещин составит около 0,05-0,2 мм/год. Трещина, расширяющаяся со скоростью 0,1 мм/год, пробьет стенку толщиной 1,2 мм за 12 лет. Если бы стена имела толщину 1,0 мм, она сломалась бы через 10 лет. Оба варианта рассчитаны на пятилетний расчетный срок службы. Но стенка, более тонкая на 0,8 мм, будет перфорирована за восемь лет, оставляя запас безопасности в три года». Таким образом, оптимизированная по стоимости толщина должна обеспечивать запас безопасности против необнаруженного локализованного воздействия. Опыт эксплуатации хранилищ щелочи показывает, что минимальная толщина 1,0–1,2 мм дает приемлемый пятилетний запас безопасности для большинства установок. Возможность роста трещины или ямки на глубину более 1,2 мм за пять лет крайне мала при правильной эксплуатации, так что толщина более 1,5 мм приведет к увеличению стоимости без пропорционального снижения риска.

Механическая прочность при установке и очистке

Углекислый газ из атмосферы поглощается и образуются кристаллы карбоната натрия, поэтому резервуары для хранения гидроксида натрия необходимо периодически очищать. Нагреватели можно вынимать, брать с собой в руки и ставить обратно во время чистки. Они также могут получить травмы при чистке инструментов или замерзшей щелочи, которая иногда образуется на стенках резервуаров. Поэтому практический интерес представляет оценка механической прочности оболочки. Стенку толщиной 1,2 мм можно погнуть или помять при легком ударе. Стенка толщиной 1,5 мм значительно жестче. Устранение повреждений гораздо более устойчиво к стене толщиной 2,0 мм. Но стоимость ремонта или замены поврежденного обогревателя часто намного меньше, чем дополнительные затраты на установку более толстой стенки для всего парка обогревателей. Для одного нагревателя мощностью 3 кВт разница в стоимости материала между оболочкой толщиной 1,2 мм и 2,0 мм составляет около 15-25 % от всей стоимости нагревателя. Если вероятность механического повреждения в течение пятилетнего срока службы менее 10%, то прогнозируемая стоимость ущерба меньше добавленной первоначальной стоимости более толстой стены. В большинстве хорошо управляемых складских помещений, где с обогревателями обращаются бережно, оптимальная по стоимости толщина для обеспечения механической прочности составляет 1,2–1,5 мм. На установках с небрежным обращением или там, где нагреватели находятся в недоступных местах, 1,8-2,0 мм может быть экономически оправдано.

Вопросы, касающиеся стоимости энергии и тепловых характеристик

Разница в термическом сопротивлении по толщине напрямую влияет на потребление энергии в течение пяти лет. Для нагревателя с внешним диаметром 12 мм в 30% NaOH при температуре 50 градусов коэффициент конвективной теплопередачи составляет примерно 600-1000 Вт/м^2К в зависимости от перемешивания. Увеличение толщины стенки с 1,2 мм до 2,0 мм приводит к дополнительному термическому сопротивлению около 0,004 м2К/Вт. Для обогревателя с площадью оболочки 0,1 м², работающего при температуре окружающего воздуха 50 градусов в течение 8000 часов в год (непрерывная работа), эти дополнительные теплопотери примерно в 0,004 раза превышают разницу температур и площади, или примерно на 2-3% меньше теплоотдачи при той же электрической потребляемой мощности. За пять лет такая потеря эффективности означает дополнительные 2000-3000 кВтч потребления электроэнергии на 10 кВт тепловой мощности. При цене на промышленную электроэнергию 0,08 доллара США за кВтч добавленная стоимость энергии за пять лет составит 160–240 долларов США за нагреватель мощностью 10 кВт. Разница в первоначальной стоимости между оболочкой толщиной 1,2 мм и 2,0 мм для нагревателя мощностью 10 кВт обычно составляет 50–100 долларов. Таким образом, более тонкая стенка оправдывает более низкую стоимость материала и повышенную эффективность и, следовательно, представляет собой экономически оптимизированный выбор для непрерывной работы. Для прерывистой работы (2000 часов использования обогревателя в год) разница в стоимости энергии снижается до 40-60 долларов США в течение 5-летнего периода, чего может быть недостаточно для подтверждения аргумента в пользу эффективности, но все же в пользу более тонкой стенки, исходя только из стоимости материала.

Таблица анализа толщины, оптимизированная по затратам

Коэффициент стоимости 1,2 мм Оболочка 1,5 мм Оболочка 2,0 мм Оболочка 2,5 мм Стоимость материала (по сравнению с 1,2 мм) 1.00 1.10 1.17 1.31
Равномерный припуск на коррозию (5 лет) 0,05–0,15 мм 0,05–0,15 мм 0,05–0,15 мм 0,05–0,15 мм
Запас выживаемости при расстроенном состоянии (питтинг/CSCC) 1,05–1,15 мм 1,35–1,45 мм 1,85–1,95 мм 2,35–2,45 мм
Штраф за энергоэффективность (5 лет, непрерывно) 0% (базовый уровень) 1–2% 2–3% 3–5%
Вероятность ожидаемого механического повреждения в течение 5 лет стоит 30–50 долларов США 20–40 долларов США 10–20 долларов США 5–15 долларов США
Общая стоимость за 5 лет (нагреватель+энергия+ущерб) за 10 кВт $1000-1100 $1050-1180 $1100-1250 $1200-1400
Оптимизация затрат для работы в режиме 24/7Отлично Очень хорошо Удовлетворительно Плохо
Оптимизирован для прерывистой работы. Наилучший Наилучший Приемлемый Плохой
Когда стоимость более толстых стен оправдана

Notwithstanding the preceding analysis, there are certain instances where a thicker wall will be the most cost effective solution. First, if the caustic is known to have high chloride levels (>500 ppm) и резервуар работает при температуре выше 60 градусов, стенка толщиной 1,8-2,0 мм обеспечивает необходимую устойчивость к коррозии, которую не может обеспечить стенка толщиной 1,2 мм. Первоначальные затраты на толщину с лихвой окупаются за счет преждевременного выхода из строя через 2 года. Во-вторых, более толстая стенка противостоит износу монтажного фланца, когда резервуар подвергается повторяющимся термическим циклам, в результате чего нагреватель расширяется и сжимается в отверстиях резервуара. В-третьих, если нагреватель установлен в резервуаре, который невозможно слить для проверки или ремонта без серьезного перерыва в производстве, стоимость внепланового простоя поддерживает консервативную толщину 2,0 мм, даже если статистическая вероятность отказа минимальна. В-четвертых, если в каустике присутствуют абразивные твердые материалы, такие как кристаллы карбоната натрия, которые откладываются на нагревателе, необходимы скорость эрозии-коррозии 0,05-0,1 мм/год и дополнительный запас металла.

Вывод: оптимальная по затратам-толщина при регулярном обслуживании

Для подавляющего большинства резервуаров для хранения 30% гидроксида натрия при 50 градусах с типичным уровнем хлоридов ниже 200 частей на миллион и при разумных процедурах обращения, оптимизированная по стоимости толщина оболочки для пяти-расчётного срока службы составляет от 1,2 до 1,4 мм. Такая толщина обеспечивает допуск на коррозию, более чем в десять раз превышающий ожидаемую равномерную потерю, запас прочности против локального воздействия 1,0 мм и более, соответствующую механическую прочность для осторожного обращения и наилучший термический КПД. Переход к 1,5-1,6 мм увеличивает материальные затраты и снижает эффективность с незначительным выигрышем в связи с и без того низкой вероятностью выхода из строя из-за коррозии. Это оправдано только в том случае, если оправдана стоимость и только при наличии особых обстоятельств, таких как высокое содержание хлоридов, абразивных частиц, частые температурные циклы или серьезные производственные штрафы за незапланированную замену. При выборе нагревателя для хранения щелочи инженеры должны провести анализ содержания хлоридов в подаваемом гидроксиде натрия и оценить рабочий цикл. Исходя из этого, -оптимизированную по стоимости толщину можно определить как 1,2 мм для чистого каустика с содержанием хлоридов ниже 100 частей на миллион; 1,4-1,6 мм для каустика с содержанием хлоридов до 500 ppm; и 2,0 мм только тогда, когда определенные соображения риска оправдывают премию. Это превращает решение о толщине из стандартного в сторону более крупных стенок в-управляемое данными, экономически оптимизированное инженерное решение, уравновешивающее первоначальные затраты на материалы с 5-летними эксплуатационными расходами и вероятностью отказа с поправкой на риск.