Које је инжењерско оправдање за дебљину омотача од 1,2 мм у односу на 2,0 мм у 316 потопних грејача воде за котлове од нерђајућег челика на 150 степени и 6 бара

Високотемпературна вода под притиском: основни проблем{0}}

Један од најтежих услова за било који метални материјал омотача су грејачи за урањање бојлерске воде. Вода је течна на 150Ц и притиску од 6 бара, али близу своје криве засићења, тако да свако локализовано одступање температуре на површини омотача може покренути кључање језгара или чак кључање филма. У овим околностима са правилно управљаном хемијом воде, нерђајући челик 316 има одговарајућу општу отпорност на корозију. Међутим, два механизма неуспеха постају важна. Пуцање услед корозије под напоном од концентрованих хидроксида и удубљење од било каквог продирања хлорида. Избор дебљине омотача од 1,2 мм наспрам 2,0 мм није ствар избора. Сваки број представља различиту инжењерску филозофију са различитим објашњењима заснованим на задржавању притиска, дозвољеној корозији, термичком одзиву и контроли режима кључања. Ово истраживање представља инжењерско образложење за сваку опцију дебљине и идентификује околности у којима једна јасно надмашује другу.

Оправдање задржавања притиска на 6 бара, 150 степени

Напон у облику обруча у омотачу од нерђајућег челика 316 при радном притиску од 6 бара (манометар) израчунава се коришћењем формуле цилиндра са танким{2}}цилиндаром. Унутрашњи радијус цеви са спољним пречником 12 мм и дебљином од 1,2 мм је 4,8 мм. Напрезање обруча је притисак пута унутрашњи радијус подељен са дебљином зида: 0,6 МПа пута 4,8 мм подељено са 1,2 мм је 2,4 МПа. За дебљину зида од 2,0 мм, унутрашњи радијус је 4,0 мм, а напрезање обруча је 0,6 МПа × 4,0 мм / 2,0 мм=1.2 МПа. Обе бројке су неколико редова величине испод границе течења од нерђајућег челика 316 на 150 степени од отприлике 170 МПа. Задржавање притиска не оправдава дебљи зид. Чак и зид од 1,2 мм има фактор сигурности од 70 против пада приноса. Да би били непропусни на 6 бара, потребна дебљина зида је минимално мања од 0,3 мм. Инжењерска основа за било коју дебљину стога мора бити заснована на другим основама, а не на разматрању притиска пуцања.

Зашто додатак за корозију у хемији котловске воде

Вода из котла се генерално третира да би се одржали алкални услови (пХ 9-11) и да би се елиминисао растворени кисеоник, хлориди и друге непријатељске врсте. Општа стопа корозије нерђајућег челика 316 у оптималној хемији воде на 150 степени је прилично ниска, отприлике 0,005-0,015 мм/год. Зид од 1,2 мм би потенцијално издржао само 80 до 240 година под сталним нападом. Али прави системи котлова имају своје поремећене услове: цурење кондензатора доводи до хлорида, лош хемијски третман изазива концентрацију каустике или продор кисеоника током одржавања. Локализоване стопе корозије су процењене на чак 0,1-0,3 мм/годишње под условима удара. Зид је дебљине 1,2 мм, што даје отпорност на корозију од рецимо 0,6-0,7 мм пре него што дођете до минималне дебљине конструкције од 0,5 мм. Ова дозвола би се потрошила за 3 до 4 године уз смањену стопу корозије од 0,2 мм/годишње. Зид од 2,0 мм даје отпорност на корозију од 1,3-1,4 мм и продужава време преживљавања узнемиравања на шест до осам година. Дакле, инжењерски разлог за зид од 2,0 мм у котловској води није у нормалним радним условима већ у отпорности на поремећаје хемије воде. Тањи зид се може оправдати за објекте са добрим праћењем и контролом третмана воде. Дебљи зид треба оправдати као заштиту од поремећаја за објекте са променљивим квалитетом напојне воде, честим цурењем кондензатора или ограниченом радном снагом за хемијски третман.

Контрола режима кључања и критичне разлике у дебљини

Најјединственији инжењерски разлог за разлику између 1,2 мм и 2,0 мм је у интеракцији сваке дебљине са режимом кључања на површини омотача. На 150 степени и притиску од 6 бара, температура засићења воде је 150 степени. Плашт грејача мора бити изнад основне температуре да би пренео топлоту, стога је температура површине нормално 160-180 степени у зависности од густине вати и услова протока. Такве температуре изазивају кључање језгара. Други, нуклеатно кључање, настаје када мехурићи паре настају са места нуклеације на површини омотача, расту и одвајају се и веома је ефикасан у преносу топлоте. Али ако је топлотни ток превелик или температура површине изнад одређене вредности, кључање језгара ће се променити у филмско кључање где непрекидни слој паре изолује омотач и доводи до брзог пораста температуре. Дебљина зида утиче на температуру површине при одређеној густини вати. За дату густину у ватима од 12 В/цм 2 на површини омотача у води од 150 степени, дебљина зида од 1,2 мм имаће површинску температуру од око 165-170 степени, што је добро унутар режима кључања нуклеата. При истој густини вати, зид од 2,0 мм са повећаним топлотним отпором подиже температуру површине на 180-185 степени. Ово је близу критичног топлотног тока воде на овом притиску и температури. Ако сте ближе прелазу кључања филма, ризикујете брзи температурни пад ако проток опадне или густина у ватима порасте. Дакле, инжењерска основа за зид од 1,2 мм су боље термичке перформансе и већа маргина против кључања филма. Тањи зид одржава нижу температуру површине, омогућавајући веће густине у ватима или пуфер против сметњи у процесу.

Осетљивост концентрата котловске воде на пуцање од корозије под напоном

Пуцање од корозије под каустичним напрезањем (ЦСЦЦ) је признати механизам квара за аустенитне нерђајуће челике у условима котловске воде где постоји локална концентрација каустике испод наслага или на водној линији. Осетљивост на ЦСЦЦ се повећава са температуром и са концентрацијом натријум хидроксида. Гранични напон за ЦСЦЦ од нерђајућег челика 316 је око 150-200 МПа на 150 степени у разблаженим каустичним растворима, али се брзо смањује са повећањем температуре. Постоје два извора заосталог затезног напрезања у омотачу грејача: унутрашњи притисак (приказано изнад као минималан) и производни заостали напони од извлачења и савијања цеви. Преостали обручи у цевима од нерђајућег челика 316 су типично 50-150 МПа у зависности од степена хладног рада и стања жарења цеви. Зид од 1,2 мм је тањи, па има нижа заостала напрезања након извлачења од зида од 2,0 мм. То је зато што је потребно мање хладног рада да би се дошло до коначне димензије. Искуство на терену показује да су грејачи са тањим зидовима мање склони ЦСЦЦ иницирању због нижег заосталог напрезања и ниже површинске температуре што смањује стопу концентрације каустике. Инжењерска основа за зид од 1,2 мм је мања интринзична подложност пуцању од корозије под напоном под истим условима хемијске воде.

Топлотни одговор и контрола система

Потопни грејачи воде за бојлер се обично користе у системима који захтевају прецизну контролу температуре. Термичка маса омотача утиче на време одзива на контролне сигнале. Зид од 2,0 мм има око 67% више метала по јединици дужине него зид од 1,2 мм (за исти спољни пречник, тј. цев од 12 мм, површина попречног пресека омотача се повећава са 40,7 мм² на 62,8 мм²). Овај додатни метал функционише као термални кондензатор, који успорава брзину промене температуре омотача након примене или уклањања струје. За систем који се често укључује и искључује, дебљи зид доводи до већих температурних колебања и дужих периода таложења. Што је још важније, због термичког заостајања између отпорне жице и површине омотача, контролни систем који реагује на термоелемент постављен на омотач ће споро реаговати на промене температуре жице. Временска константа за пренос топлоте са жице на спољашњу површину за зид од 1,2 мм је око 0,5-1,0 секунди. У зиду од 2,0 мм ова временска константа је 1,5-3,0 секунди. Ова разлика је мала за већину котлова, али за апликације високе прецизности или системе са брзим променама оптерећења, тањи зид даје побољшану контролу. Инжењерски разлог за зид од 1,2 мм у овим применама је бољи динамички одзив и строжа контрола температуре.

Табела сажетка инжењерског оправдања

Разматрање 1,2 мм омотач 2,0 мм омотач
Фактор сигурности задржавања притиска на 6 бара 70 (одлично) 140 (превише дизајниран)
Додатак корозије за нормалан рад 0,6 мм (80+ година) 1,4 мм (180+ година)
Време преживљавања узнемирено (стопа корозије 0,2 мм/год) 3-4 године 6-8 година
Температура површине на 12 В/цм2 165-170 степен 180-185 степени
Прелазна маргина до кључања филма Велика Мала
Производни резидуални напон Нижи (50–100 МПа) Повећан (80-150 МПа)
Ризик од покретања ЦСЦЦЛоверХигхер
Константа времена термичке реакције 0,5 до 1,0 секунде 1,5 до 3,0 секунде
Оправдана нормална примена Добро контролисани системи Висока густина у ватима Прецизна контрола Конзервативни дизајн Системи склоне поремећају-Варијабилна напојна вода
Закључци: Инжењерска оправданост за сваку дебљину

Ово није случај да је један бољи од другог. На пример, 316 потопних грејача за котловску воду од нерђајућег челика на 150 степени и 6 бара: 1,2 мм или 2,0 мм дебљине омотача. Зид од 1,2 мм је оправдан када је хемија воде добро контролисана и континуирано одржавана, када је потребан рад велике густине и када је време термичке реакције важно. То резултира нижим површинским температурама, већом маргином против кључања филма, мање заосталих напрезања и мањом подложношћу пуцању корозијом под напоном. Зид од 2,0 мм је загарантован тамо где се очекује поремећај хемијског састава воде, потребно је веће време преживљавања и где се по филозофији дизајна даје предност корозији у односу на термичке перформансе. Ово даје већу резерву метала за локализовани напад, али на рачун виших површинских температура и можда већег ЦСЦЦ ризика. За већину савремених котловских система где је хемијски третман аутоматизован и надзор је константан, инжењерска оправданост је у опсегу 1,2–1,5 мм. Зид од 2,0 мм је разумно опрезан избор за старије биљке, биљке са променљивим саставом квалитета воде или околности у којима се грејач не може лако прегледати и променити. У овим случајевима, инжењер треба да оправда избор на основу способности управљања хемијом воде, очекиване фреквенције поремећаја и потреба за густином у ватима, а не на погрешној идеји да је дебљи увек безбеднији у високотемпературној употреби воде под притиском.