Какова проверенная толщина оболочки проточных нагревателей из нержавеющей стали 316 в 50% пропиленгликоле с 2000 ppm хлоридов при 90 градусах и условиях низкого расхода?

Основной компромисс-в ингибировании гликоля загрязнением хлоридов

Пропиленгликоль (PG) является предпочтительным теплоносителем в пищевой, фармацевтической промышленности и пивоварении, где токсичность этиленгликоля неприемлема. 50% раствор PG в воде обеспечивает хорошую защиту от замерзания при температуре около -35 C, а также действует как ингибитор коррозии при правильном приготовлении. Однако в промышленных контурах ПГ хлориды имеют тенденцию проникать в контур из ряда источников, таких как остатки чистящих средств, инфильтрация воды градирни через теплообменники или использование простой (неумягченной) подпиточной воды. PG теряет свою защиту от коррозии при уровне хлорида 2000 ppm, что обычно наблюдается в плохо обслуживаемых системах или системах с утечками морской воды. При рабочей температуре 90 градусов и условиях низкого расхода, способствующих застою пограничного слоя, нержавеющая сталь 316 подвергается значительному риску точечной и щелевой коррозии. В этом случае толщина оболочки — это не простой расчет припуска на коррозию, а проверка, призванная продемонстрировать, что выбранная стенка может выдержать комбинированное воздействие хлоридов, повышенную температуру и снижение теплопередачи из-за низкого потока.

Механизм питтинговой коррозии, вызванной хлоридом, в растворах пропиленгликоля

2000 ppm хлоридов в 50 % растворе пропиленгликоля при 90 градусах являются агрессивной средой для пассивной пленки на нержавеющей стали 316. Пропиленгликоль сам по себе обладает слабым ингибирующим действием, однако механизм его ингибирования зависит от адсорбции молекулы гликоля на поверхности металла. При 90 градусах адсорбированный слой менее эффективен из-за теплового движения. Ионы хлорида очень подвижны и крошечны, конкурируют за место на поверхности и вызывают образование ямок в слабых местах, таких как сульфидные включения или царапины на поверхности, после нарушения пассивного покрытия. Критическая температура точечной коррозии нержавеющей стали 316 в растворе хлорида 2000 ppm составляет около 50-60 градусов только в воде. Присутствие ингибитора гликоля повышает критическую температуру точечной коррозии в 50% пропиленгликоле примерно на 10–15 градусов и составляет примерно 65–75 градусов. Рабочая температура составляет 90 градусов, и, таким образом, система работает выше критической температуры точечной коррозии, так что вопрос возникновения точечной коррозии стоит не «если», а «когда». После образования ямки скорость ее роста можно прогнозировать по логарифмическому или линейному тренду в зависимости от наличия кислорода и удельного сопротивления раствора. Опубликованные результаты для нержавеющей стали 316 в гликоле, загрязненном хлоридами, при 90 градусах показывают скорость роста ямок 0,2–0,6 мм/год для аэрированных условий. Траншея, расширяющаяся со скоростью 0,4 мм/год, пробивает стенку толщиной 1,5 мм за 3,75 года для нагревателя с ожидаемым временем работы 5000 часов в год (около 60 % нагрузки). Стенка толщиной 2,0 мм продлит этот срок до 5 лет. Однако эти расчеты основаны на одной яме, тогда как на самом деле образуется несколько ям и разрушение контролируется самой глубокой из них.

Влияние условий низкого расхода на коррозию и ее усиление

Для этого применения условия низкого расхода особенно вредны, поскольку они приводят к перенасыщению пограничного слоя на поверхности оболочки продуктами коррозии и ионами хлорида. Конвекция хлоридов от поверхности сильно ограничена при скоростях потока менее 0,5 м/сек. Содержание хлоридов на поверхности металла может быть в пять или десять раз больше, чем в объеме металла, что значительно снижает вероятность точечной коррозии. Низкий поток также способствует частичному кипению или пленочному кипению на поверхности оболочки при сильном тепловом потоке. Образование и коллапс пузырьков механически разрушают пассивный слой и создают локально концентрированные растворы хлоридов в тонкой пленке жидкости под пузырьком. Этот механизм приводит к характерному образцу «питтинговых колец», который наблюдается вокруг мест зарождения пузырьков на вышедших из строя нагревателях. Например, для проточного нагревателя из нержавеющей стали 316, используемого при объемной температуре 90 градусов и плотности оболочки 7-8 Вт/см2, температура поверхности пограничного слоя может быть выше 110-120 градусов даже при условиях низкого расхода. При этих температурах критический порог питтинга значительно превышается, а скорость распространения питтинга может составлять 1-2 мм/год. Поэтому проверенная толщина должна учитывать не только объемную концентрацию хлоридов и температуру, но также локализованное усиливающее воздействие низкого расхода. Толщина, которая кажется достаточной в объемных условиях, может разрушиться в течение нескольких месяцев, когда поток будет ниже 0,3 м/с.

Теплогидравлические взаимодействия, ограничивающие максимальную толщину

Взаимодействие толщины стенок, теплопередачи и низкого расхода накладывает дополнительные ограничения на максимально возможную толщину оболочки. С увеличением толщины стенки увеличивается термическое сопротивление, что приводит к увеличению температуры поверхности оболочки при той же потребляемой электрической мощности. При низком расходе коэффициент конвективной теплопередачи уже снижается-обычно до 300–600 Вт/м²·К при скорости 0,3 м/с по сравнению с 1500–2500 Вт/м²·К при скорости 2 м/с. Более толстая стенка увеличивает сопротивление проводимости при плохой конвекции. Увеличение толщины стенки трубки с внешним диаметром 12 мм в 50 % PG, при 90 градусах и скорости потока 0,3 м/с с 1,2 мм до 2,0 мм увеличивает температуру оболочки с ~125 градусов до 155 градусов при плотности ватт 7 Вт/см2. Повышение температуры на 30 градусов приводит к увеличению скорости образования хлоридных язв в 3–5 раз в соответствии с поведением Аррениуса. Более толстая стенка, которая должна обеспечивать допуск на коррозию, вместо этого делает точечную коррозию настолько быстрой, что чистый срок службы может быть меньше, чем при более тонкой и холодной стенке. Эта саморазрушающаяся петля обратной связи означает, что в гликолевых системах с низким-потоком и высоким-хлоридом существует оптимальный диапазон толщины, за пределами которого большее количество металла сокращает срок службы, а не продлевает его. Проверенные эксплуатационные данные для циркуляционных нагревателей как для пивоваренной, так и для пищевой промышленности показывают, что оптимальное значение составляет от 1,4 до 1,8 мм для большинства систем с 50 % содержанием PG и хлоридным загрязнением.

Подтвержденные рекомендации по толщине для различных режимов потока

Там, где скорость потока всегда может быть выше 1,0 м/с, толщина 1,5–1,7 мм обеспечивает надежную работу в течение пяти лет в присутствии хлоридов в концентрации 2000 ppm. Умеренная толщина удерживает температуру оболочки ниже 120 градусов при нормальной плотности ватт, а турбулентный поток предотвращает концентрацию хлоридов на поверхности. Минимальная проверенная толщина составляет 1,8–2,0 мм для систем с прерывистым потоком или в тех случаях, когда поток может стать менее 0,5 м/с на некоторых этапах эксплуатации. Этот дополнительный металл предназначен не столько для защиты от коррозии, сколько для того, чтобы выдерживать быстрое питтинговое образование, возникающее во время низкого расхода. Однако для стенки толщиной 2,0 мм плотность мощности должна быть ограничена 5–6 Вт/см2, чтобы поддерживать температуру оболочки ниже 135 градусов при низком расходе. В случае, если невозможно уменьшить плотность ватт из-за ограничений по пространству или мощности нагрева, толщина должна быть ограничена до 1,5–1,6 мм, чтобы предотвратить термическое ускорение коррозии, и владелец системы должен принять сокращенный срок службы на три-четыре года. . 316 Нержавеющая сталь не рекомендуется для систем, где поток может быть полностью застойным (нулевая скорость) во время циклов нагрева, независимо от толщины. В застойных условиях локализованное кипение неизбежно, а высокая температура поверхности, содержание хлоридов и механическое действие пузырьков пройдут через любую практическую толщину за один-два года. В таких обстоятельствах следует использовать титановую оболочку или нагреватель из инколоя 825.

Проверка с помощью коррозионных испытаний и полевых данных

Три источника доказательств, подтверждающих приведенные выше рекомендации по толщине: Глубина язв 0,2–0,3 мм/год наблюдалась при испытаниях с перемешиванием (высокий расход) и 0,5–0,8 мм/год при испытаниях без перемешивания (низкий расход) во время лабораторных испытаний образцов из нержавеющей стали 316 с погружением в 50 % PG с 2000 ppm NaCl при 90 градусах. Во-вторых, полевые проверки циркуляционных нагревателей, выведенных из эксплуатации через три-пять лет в гликолевых контурах пищевых предприятий, где уровень хлоридов составлял 1500-2500 частей на миллион, показывают, что агрегаты со стенками 1,5-1,6 мм и турбулентным потоком имеют максимальную глубину ям 0,4-0,7 мм, оставляя достаточную остаточную стенку. Агрегаты со стенками 2,0–2,2 мм и плохой текучестью имеют глубину ямок 0,8–1,2 мм не из-за менее стойкого материала, а потому, что увеличенная толщина стенок повышает температуру поверхности и ускоряет разрушение. В-третьих, сканирование электрохимической поляризации нержавеющей стали 316 в загрязненном хлоридом ПГ при температуре 80–100 градусов показывает, что питтинговый потенциал резко падает выше 100 градусов, подтверждая, что поддержание температуры оболочки ниже этого порога более важно, чем увеличение толщины.

Вывод: проверенный диапазон толщины для надежной эксплуатации

Утвержденный диапазон для определения толщины оболочки проточных нагревателей из нержавеющей стали 316 в 50% пропиленгликоле с 2000 ppm хлоридов при 90 градусах в условиях низкого расхода необходим для баланса между сопротивлением точечной коррозии и тепловым ускорением. Для систем хорошей конструкции, со скоростью потока 1,0 м/с и плотностью ватт 6-8 Вт/см2, толщина 1,5-1,7 мм дает подтвержденный срок службы 5 лет. Для систем с нормальной эксплуатационной скоростью потока ниже 0,5 м/с толщину следует увеличить до 1,8-2,0 мм, но только при условии одновременного снижения удельной мощности до 5-6 Вт/см². Ни одна система, в которой может произойти застой потока, не приемлема для нержавеющей стали 316, независимо от ее толщины. Инженеры, подбирающие нагреватель для этой сложной среды, должны указать не только толщину стенки, но также минимально допустимую скорость потока, максимальную плотность ватт и метод проверки (тестовое тестирование или электрохимический мониторинг), которым необходимо следовать во время эксплуатации. Это меняет базовые требования к размерам на проверенную технику борьбы с коррозией, которая напрямую связывает толщину стенок с устойчивостью к точечной коррозии и тепловыми характеристиками в гликолевых системах, загрязненных хлоридами.