Какова надежная толщина оболочки циркуляционных нагревателей из нержавеющей стали 316 в рассоле, содержащем 40% хлорида кальция, при температуре 90 градусов и давлении в системе 5 бар?

Основной компромисс-при использовании рассола высокой-плотности

Рассол хлорида кальция (концентрация 40 %) — типичный жидкий теплоноситель, используемый в холодильных системах, устройствах для борьбы с обледенением и промышленных контурах охлаждения. Рассол хлорида кальция (плотность около 1,4 г/см3, температура замерзания -45 градусов при оптимальной концентрации) более плотный, чем рассол хлорида натрия, и его можно сохранять жидким при более низких температурах. Нержавеющая сталь 316 выдерживает очень жесткие условия эксплуатации при температуре 90 градусов и давлении в системе 5 бар. 40% Рассол хлорида кальция имеет содержание хлорида около 25% по весу и очень агрессивен. Однако коррозионное поведение является умеренным по сравнению с хлоридом натрия из-за присутствия ионов кальция. Ионы кальция ингибируют активность ионов хлорида путем спаривания ионов. Для обеспечения надежной толщины оболочки для этой функции необходимо учитывать выдерживание давления, устойчивость к точечной коррозии в рассоле с высоким содержанием хлоридов, эрозию от любых взвешенных твердых частиц и тепловой КПД, необходимый для передачи тепла. В отличие от хлорида железа, для которого сталь 316 совершенно не подходит, нержавеющая сталь 316 может выдерживать рассол хлорида кальция при умеренных температурах при правильной толщине и соблюдении эксплуатационной дисциплины.

Удержание давления при 5 бар и 90 C

Требование к окружному напряжению для оболочки циркуляционного нагревателя при давлении в системе 5 бар невелико, но не равно нулю. Для трубы с внешним диаметром 12 мм это зависит от толщины стенки. Формула кольцевого напряжения σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri/t дает следующие значения: для стены толщиной 1,2 мм (внутренний радиус 4,8 мм) напряжение составляет 0,5 МПа, умноженное на 4,8 мм на 1,2 мм, что дает 2,0 МПа. Для стенки толщиной 2,0 мм (внутренний радиус 4,0 мм) напряжение составляет 0,5 МПа, умноженное на 4,0 мм, деленное на 2,0 мм, что составляет 1,0 МПа. Оба результата значительно ниже, чем предел текучести нержавеющей стали 316 при 90 градусах, равный 170 МПа. Толщина определяется не только сдерживанием давления. Однако циркуляционные нагреватели рассольной системы часто монтируются на резьбовые или фланцевые фитинги, которые должны выдерживать установочный крутящий момент и давление теплового расширения. Минимальная толщина в местах соединения должна составлять 1,2 мм для обеспечения зацепления резьбы и механической упругости. Стенки толщиной более 1,0 мм могут привести к срыву резьбы или деформации при установке.

Устойчивость к локальной коррозии в концентрированных рассолах хлорида кальция.

Устойчивость к точечной коррозии нержавеющей стали 316 в рассоле хлорида кальция намного лучше, чем в рассоле хлорида натрия при аналогичном массовом процентном содержании хлорида. Это связано с тем, что ионы хлорида менее активны в растворах хлорида кальция. Критическая температура питтинговой коррозии нержавеющей стали 316 при концентрации хлорид-ионов 25% (из 40% CaCl2) составляет около 45-55 градусов в зависимости от содержания кислорода и условий потока. Температура раствора значительно превышает критическую температуру питтинга 90°С, поэтому питтинг будет иметь место. Вопрос в том, с какой скоростью распространяются ямы. Скорость роста ямок для нержавеющей стали 316 в 40% CaCl₂ при 90 градусах в аэрированных условиях опубликована как 0,3-0,8 мм/год, причем более низкое значение связано с условиями турбулентного потока, которые предотвращают концентрацию хлоридов на входе в яму. Для циркуляционного нагревателя со скоростью потока 1,5-2,0 м/с скорость роста ямок составляет около 0,3-0,5 мм/год. Максимальная прогнозируемая глубина ямы составляет от 1,5 до 2,5 мм в течение пятилетнего расчетного срока службы. Этот расчет является прямым фактором при выборе толщины. Стенка толщиной 1,5 мм будет иметь высокую вероятность прокола через пять лет. Стенка 2,0 мм. Через 5 лет расширения ямки запас прочности составляет 0,5-1,5 мм. Толщина стенки 2,5 мм дает больший запас, но с большими потерями тепла и затрат. Надежный диапазон толщины для 5-летнего срока службы составляет 2,0–2,3 мм.

Соображения по поводу равномерной коррозии и разрушения щелей

Основной проблемой является точечная коррозия, однако вы можете измерить равномерную коррозию в 40%-ном рассоле хлорида кальция при температуре 90 градусов. Опубликованные исследования потери веса показывают скорость коррозии 0,05-0,12 мм/год в условиях течения и являются последовательными. Равномерное уменьшение от 0,25 до 0,60 мм отмечается в течение 5 лет. Это повреждение уменьшает эффективную толщину стенки, позволяющую противостоять проникновению точечной коррозии. При равномерной скорости коррозии в течение 5 лет, равной 0,10 мм/год, на стенке толщиной 2,0 мм остается толщина 1,5 мм, прежде чем начнется точечная коррозия. Ямка, расширяющаяся со скоростью 0,4 мм в год в течение пяти лет, достигнет глубины 2,0 мм, пробив стенку. Сочетание постоянных потерь и точечной коррозии означает, что стенка толщиной 2,0 мм находится на грани надежности в течение полного пятилетнего срока службы. Щелям на прокладках фланцев, резьбовых соединениях и при любых отложениях накипи придается дополнительный размер. В трещинах в рассоле хлорида кальция может наблюдаться локальная коррозия со скоростью 0,5–1,0 мм в год. По этой причине циркуляционные нагреватели для рассола должны иметь сварную конструкцию, а не резьбовую, и по возможности следует избегать использования прокладок.

Тепловые характеристики толстых стенок Стоимость толстых стенок

Теплопроводность рассола с 40% содержанием хлорида кальция составляет около 0,55 Вт/м·К при температуре 90 градусов, что намного меньше, чем у воды (0,68 Вт/м·К). При этом коэффициент конвективной теплопередачи в турбулентном потоке меньше, обычно 600-1000 Вт/м²·К по сравнению с 1500-2500 Вт/м²·К для воды. Таким образом, тепловое сопротивление оболочки вносит больший вклад в общий тепловой контур, чем в системах водоснабжения. Для трубки с внешним диаметром 12 мм электрическое сопротивление увеличивается примерно на 0,004 м²·К/Вт при увеличении толщины стенки с 1,5 мм до 2,5 мм. Это повышенное сопротивление увеличивает температуру оболочки на 8-10 градусов для типичного циркуляционного нагревателя с удельной мощностью 7-8 Вт/см2. При толщине стенки 2,5 мм температура оболочки может быть увеличена до 110-115 градусов при объемной температуре 90 градусов. Скорость питтинговой коррозии при этих температурах увеличилась примерно на 50-100% по сравнению с таковой при 100 градусах. Увеличенная толщина стенок для обеспечения коррозионной стойкости может способствовать образованию точечной коррозии из-за теплового воздействия. В результате получается окно оптимальной толщины, достаточно тонкое для сохранения температуры оболочки.<105°C, but thick enough to permit pitting. The optimum range for most calcium chloride circulation systems is 2.0 to 2.2 mm.

Рекомендации по толщине для различных условий эксплуатации, надежность

Для циркуляционного нагревателя в рассоле 40% хлорида кальция при 90 градусах и давлении 5 бар с турбулентным потоком (Re > 10 000) и расчетным сроком службы пять лет надежная толщина оболочки составляет 2,0-2,2 мм. Эта толщина позволяет обеспечить припуск на точечную коррозию в размере 1,0–1,5 мм после пяти лет равномерной коррозии, при условии, что скорость роста язв составляет 0,4 мм в год. Достаточно для расчетного срока службы 3 года. 1,6–1,8 мм. Это 2,5–2,8 мм для расчетного срока службы в десять лет, но потери тепла становятся значительными. Переход на сплав более высокого качества, например 316Ti или 317L, может быть более экономически эффективным. Для систем с ламинарным потоком или мертвыми зонами с большей интенсивностью питтинговой коррозии толщину следует увеличить на 0,3–0,5 мм. Для систем, использующих деаэрированный рассол (содержание растворенного кислорода менее 100 частей на миллиард), скорость питтинговой коррозии снижается до 0,1-0,2 мм в год и за пятилетний срок эксплуатации может быть снижена до 1,5-1,8 мм.

Практические меры проектирования, позволяющие снизить требования к толщине

Доступны различные конструктивные решения для уменьшения необходимой толщины оболочки без ущерба для надежности. Во-первых, управление потоком: минимальная скорость потока 1,5 м/с установлена, чтобы избежать застоя пограничного слоя и минимизировать скорость точечной коррозии в два раза.. 2. Деаэрация: Азотная подушка над расширительным баком снижает содержание растворенного кислорода с 8 частей на миллион до менее 0,5 частей на миллион с заметным снижением язвенной коррозии и постоянной скоростью коррозии. В-третьих, добавление ингибиторов. Хромат натрия или молибдат натрия при концентрации 200-500 ppm значительно повышает устойчивость к точечной коррозии и позволяет уменьшить толщину на 0,3–0,5 мм. В-четвертых, обработка поверхности. Электрополированные трубы имеют меньше мест зарождения ямок и более низкую скорость их роста, чем механически полированные трубы. Электрополированная стенка толщиной 1,8 мм может работать лучше, чем вытянутая стенка толщиной 2,2 мм.

Вывод: надежная толщина рассола хлорида кальция

Толщина оболочки 2,0-2,2 мм оказалась надежной в течение пяти лет расчетного срока службы циркуляционных нагревателей из нержавеющей стали 316 в турбулентных, аэрированных условиях для 40% рассола хлорида кальция при температуре 90 градусов Цельсия и давлении 5 бар. Эта толщина является компромиссом между допуском на точечную коррозию, равномерным запасом по коррозии и тепловыми характеристиками. Стенки тоньше 1,8 мм могут перфорироваться в течение 3 лет. Более толстые стенки толщиной более 2,5 мм повышают температуру оболочки до уровня, при котором питтинг ускоряется, а отдача снижается. Наиболее надежная спецификация включает не только толщину, но и характеристики минимальной скорости потока (1,5 м/с), обработки поверхности (электрополировка) и контроля содержания растворенного кислорода, где это возможно. При определении инженеры должны указать расчетный срок службы в годах и режим потока. Это превращает решение о толщине из предположения в расчет с использованием опубликованных данных о коррозии и термического моделирования, обеспечивая надежную долгосрочную работу в одном из наиболее проблемных условий соленой воды для нержавеющей стали 316.