Какова долгосрочная-разница в эксплуатационных характеристиках между толщиной оболочки 1,5 мм и 2,5 мм для нагревателей из нержавеющей стали 316 в суспензии сырой фосфорной кислоты с содержанием 10 % при температуре 80 градусов и абразивных кристаллах

Основной компромисс-в сфере производства фосфорной кислоты

Мокрый-процесс производства фосфорной кислоты дает сырую суспензию, содержащую 10 % фосфорной кислоты в смеси кристаллов полугидрата или дигидрата сульфата кальция, непрореагировавших частиц фосфоритной руды и различных металлических примесей. Это очень агрессивная среда из-за сочетания слабокислой среды (pH 1-2) и твердых частиц, которые разрушают пассивное покрытие нержавеющей стали 316. Электрические погружные нагреватели в концентраторах и резервуарах фосфорной кислоты подвергаются комбинированной химической коррозии и механическому истиранию. Выбор толщины оболочки (1,5 мм против 2,5 мм) представляет собой долгосрочный расчет производительности, при котором дополнительный металл в более толстой стенке должен быть сбалансирован с учетом тепловых и механических последствий работы с большим поперечным-сечением. В отличие от обслуживания чистых жидкостей, где единственной проблемой является коррозия, это приложение предполагает мониторинг двух взаимодействующих механизмов деградации в ходе многолетних кампаний.

Зависимость синергизма эрозии-коррозии от толщины

Равномерная скорость коррозии нержавеющей стали 316 в чистой фосфорной кислоте при температуре 80 градусов составляет около 0,1-0,3 мм/год в зависимости от количества примесей фторида и хлорида в сырой кислоте. При добавлении абразивных кристаллов (кристаллов полугидрата сульфата кальция) размером обычно 10-100 микрон и твердостью по шкале Мооса 2,5-3,0 механизм разложения переключается с чистой коррозии на эрозионную-коррозию. Защитное пассивное покрытие постоянно удаляется падающими частицами, подвергающими свежий металл воздействию кислоты. Скорость эрозионной-коррозии — это не просто сумма чистой скорости эрозии и чистой скорости коррозии. Вместо этого имеет место синергетический эффект, когда скорость коррозии постоянно де-пассивированного металла существенно превышает скорость коррозии стабильной пассивной поверхности. Опубликованные результаты для нержавеющей стали 316 в 10% фосфорной кислоте с 5-10% частиц при 80 градусах и скорости суспензии 1,5 м/с показывают скорость эрозии-коррозии 0,6-1,2 мм в год, что в три-шесть раз превышает скорость чистой коррозии. Расчетное время до перфорации при сплошной эрозии-коррозии составляет 1,3-2,5 года при толщине стенки 1,5 мм. Для стенки толщиной 2,5 мм расчетное время составляет 2,1–4,2 года. Однако эти расчеты предполагают постоянную скорость эрозии-коррозии. На самом деле, когда стенка становится тоньше, распределение локальных напряжений на поверхности меняется, и скорость эрозии может увеличиваться, поскольку более тонкая стенка сильнее отклоняется при контакте с частицами, что приводит к большим локальным напряжениям, которые легче разрушают поверхность. Статистика долгосрочных показателей работы предприятий по производству фосфорной кислоты показывает, что скорость эрозии-коррозии обычно увеличивается на 20-40%, когда толщина стенок составляет менее 1,0 мм. Таким образом, стенка толщиной 2,5 мм начинается с большего количества металла, и для перехода в этот режим ускорения требуется больше времени.

Механическая роль толщины стенок и энергии удара кристалла

Кристаллы абразива в суспензии сырой фосфорной кислоты не просто скользят по поверхности, а ударяются о нее под разными углами в зависимости от схемы потока вокруг нагревателя. При поперечном -потоке частицы суспензии ударяются о переднюю кромку цилиндрической нагревательной трубы почти под нормальными углами (высокая энергия удара, наибольшая эрозия) и о боковые стороны под углами скольжения (меньшая эрозия). Энергия удара кристалла сульфата кальция, движущегося со скоростью 1,5 м/с, составляет от 0,5 до 2 микроджоулей в зависимости от размера частиц. Этой энергии достаточно, чтобы вызвать микро-пластическую деформацию поверхности нержавеющей стали 316. Глубина пластически деформированного слоя от каждого удара обычно составляет 1-5 микрон. Полное удаление материала достигается за счет усталостного процесса с большим количеством ударов: повторные удары вызывают наклеп, возникновение разрушения и, наконец, отделение мелких кусков металла. Скорость удаления материала обратно пропорциональна твердости металла, а также зависит от способности основного сыпучего материала поглощать энергию удара без разрушения. Более толстая стенка приводит к большему упругому основанию под ударной поверхностью. Для нержавеющей стали 316 модуль упругости составляет 193 ГПа, а жесткость стенки трубы при изгибе пропорциональна кубу толщины для данного наружного диаметра. Толщина стенки 2,5 мм имеет жесткость на изгиб примерно в 4,6 раза больше, чем толщина стенки 1,5 мм (2,5³/1,5³=4.6). Повышенная жесткость уменьшает динамическое отклонение при ударе частиц и тем самым снижает пиковое контактное напряжение и скорость эрозии. Полевые наблюдения в фосфорных электронагревателях показывают, что скорость эрозии труб со стенкой 2,5 мм на передней кромке часто на 20-30% меньше, чем трубок со стенкой 1,5 мм в тех же условиях суспензии исключительно из-за влияния жесткости.

Ухудшение тепловых характеристик более толстой стенки при эксплуатации в условиях обрастания

Хорошо известно, что сырая суспензия фосфорной кислоты загрязняет окружающую среду. Кристаллы сульфата кальция имеют тенденцию накапливаться на горячих поверхностях. Это приводит к образованию накипи, которая изолирует трубку и ограничивает теплопередачу. Скорость образования накипи зависит от температуры поверхности относительно кривой растворимости сульфата кальция. Когда температура оболочки превышает 90-95 градусов, растворимость полугидрата сульфата кальция падает и его осаждение ускоряется. Настенный нагреватель толщиной 1,5 мм и плотностью ватт 6 Вт/см2 в объемной кислоте с температурой 80 градусов имеет температуру поверхности оболочки около 95-100 градусов, что соответствует порогу ускоренного образования накипи. При той же плотности ватт толщина стенки 2,5 мм обеспечивает температуру оболочки 110-120°C, что вполне соответствует диапазону масштабирования. На трубе со стенкой 2,5 мм накипь образуется- быстрее и толще, чем на трубке со стенкой 1,5 мм. Как только слой окалины оказывается на месте, он добавляет собственное термическое сопротивление, что приводит к еще большему повышению температуры оболочки в цикле само-укрепления. Эквивалентная толщина стенки 4,0 мм при эффективном термическом сопротивлении стенки 2,5 мм с окалиной сульфата кальция 0,5 мм. Эта накипь не только препятствует переносу тепла, но и приводит к образованию трещин в среде кислот, которые локально концентрируются и ускоряют коррозию. Таким образом, разница в долгосрочных характеристиках двух толщин существенно зависит от возможности регулировки масштаба. Стенка толщиной 2,5 мм может обеспечить длительный срок службы при эрозионно-коррозионном воздействии на предприятиях с использованием механической очистки (вертушки или скребки) или химического удаления накипи. Стенка толщиной 1,5 мм может оказаться более эффективной на предприятиях, где допускается скопление накипи. Более низкая температура поверхности задерживает образование накипи, а когда накипь образуется, более тонкая основная стенка поддерживает более высокий тепловой поток через комбинированный слой «стенка + накипь».

Термические циклы и дифференциальные напряжения расширения

Концентраторы фосфорной кислоты работают в периодическом режиме или с прерывистой подачей, а нагреватель подвергается термическому циклированию от температуры окружающей среды до 80 градусов и обратно. Каждый цикл нагрева вызывает дифференциальное напряжение расширения между резистивной проволокой, изоляцией из оксида магния и оболочкой из нержавеющей стали. Поскольку более толстая секция дает большее сопротивление тепловому расширению и сжатию, амплитуда этих напряжений пропорциональна толщине оболочки. Коэффициент расширения нержавеющей стали 316 при температурном сдвиге на 80 градусов составляет примерно 0,1% (16 × 10-6/градус x 80 градусов=0.00128). Для трубы внешним диаметром 12 мм это расширение составляет 0,015 мм. Стенка толщиной 1,5 мм легче выдерживает расширение за счет упругой деформации, чем стенка толщиной 2,5 мм. Более толстая стенка подвергается большему циклическому давлению в месте контакта между оболочкой и изоляцией из оксида магния в течение тысяч циклов. Это может привести к растрескиванию изоляции, что снижает электрическую прочность и, в конечном итоге, приводит к электрическому отказу. Долгосрочные-данные о производительности фосфорных заводов показывают, что настенные обогреватели толщиной 2,5 мм имеют более высокий уровень электрических отказов (пробоев изоляции), чем настенные обогреватели толщиной 1,5 мм, после 3–5 лет эксплуатации, даже если на стене толщиной 2,5 мм еще остается металл соответствующей толщины. Более толстая стенка жертвует коррозионно-эрозионной стойкостью ради термоусталостной долговечности.

Краткое-Сравнение долгосрочных показателей эффективности

Производительность Метрический тубус 1,5 мм Тубус 2,5 мм
Скорость эрозии-коррозии при скорости пульпы 1,5 м/с 0,6–1,2 мм/год 0,5–0,9 мм/год (на 20–30 % ниже из-за жесткости)
Время до перфорации (оценочное) 1,3–2,5 года 2,8–5,0 лет
Температура оболочки при 6 Вт/см² 95–100 градусов 110–120 градусов
Скорость накипи (сульфат кальция) Умеренная (пороговый режим) Высокая (ускоренный режим)
Срок службы термической усталости (циклов до разрушения изоляции) 4000-7000 циклов 8000-12000 циклов
Типичный срок службы фосфорных установок составляет 2–4 года (ограничение по масштабу) 3–5 лет (ограничение по термической усталости).
Лучшее использование Установки с возможностью удаления накипи, периодическая работа Непрерывное обслуживание с небольшим пространством для масштабирования
Практические стратегии продления срока службы помимо выбора толщины

Одна только толщина оболочки не решит проблему с суспензией фосфорной кислоты. Было продемонстрировано, что три взаимодополняющих решения продлевают срок службы нагревателя сверх того, что можно было бы прогнозировать, исходя только из толщины.. 1. Управление потоком: выравнивание трубок нагревателя параллельно потоку суспензии, а не перпендикулярно, уменьшает углы удара и скорость эрозии на 40-60 %. Во-вторых, закалка поверхности: азотирование или борирование поверхности нержавеющей стали 316 повышает твердость с 200 HV до 800-1000 HV, что значительно снижает скорость эрозии без увеличения термического сопротивления. Трубка диаметром 1,5 мм с более твердой поверхностью может быть в два раза прочнее, чем трубка диаметром 2,5 мм без жесткой поверхности. В-третьих, контроль накипи, поддерживая температуру кислоты в объеме ниже 75 градусов или используя ингибиторы накипи, такие как полиакрилаты, удерживает поверхность оболочки ниже порога осаждения сульфата кальция, поэтому возможно использование более тонких и более термически эффективных стенок. На некоторых заводах без каких-либо проблем использовались настенные обогреватели толщиной 1,2 мм с поверхностной закалкой и защитой от накипи в течение пяти и более лет, в то время как необработанные настенные обогреватели толщиной 2,5 мм вышли из строя из-за перегрева, вызванного накипью.

Вывод: разница в производительности объясняется условиями эксплуатации

Долгосрочная-разница в производительности между толщиной стенок 1,5 мм и 2,5 мм для нагревателей из нержавеющей стали 316 в сырой суспензии с 10 % фосфорной кислоты при температуре 80 градусов не является простым преимуществом для более толстых стенок. Стенка толщиной 2,5-мм обеспечивает в 1,5–2,0 раза большую стойкость к эрозии-коррозии при непрерывной эксплуатации с низким-ообразованием, но страдает от более высоких температур поверхности, которые увеличивают скорость образования окалины, а также от снижения термоусталостной долговечности.. 1.5Стенка мм имеет превосходные термические характеристики, пониженную склонность к образованию окалины и более длительный срок службы при термической усталости, но меньший запас металла для эрозионной-коррозии. Для большинства предприятий по производству фосфорной кислоты оптимальная толщина находится между этими двумя крайностями, около 1,8-2,0 мм, с применением поверхностной закалки и контроля окалины. Если установка с хорошим контролем накипи и непрерывной работой вынуждена выбирать между этими двумя вариантами, следует выбрать стенку толщиной 2,5 мм, чтобы максимизировать срок службы от эрозии и коррозии. Для установок, работающих в периодическом режиме, с частыми термоциклами или ограниченными возможностями удаления окалины, следует выбирать толщину стенки 1,5 мм, чтобы избежать образования окалины и термической усталости. Требования к обработке поверхности и направление потока должны быть указаны в спецификации, что превращает простой выбор толщины в полноценную конструкцию нагревателя для обработки суспензии.