Која је верификована дебљина омотача за 316 проточних грејача од нерђајућег челика у 50% пропилен гликола са 2000 ппм хлорида на 90 степени и условима ниског протока

Основни компромис{0}}у инхибицији гликола са контаминацијом хлоридима

Пропиленгликол (ПГ) је течност за пренос топлоте која се бира у преради хране, фармацеутској производњи и пиварским апликацијама где је токсичност етилен гликола неприхватљива. 50% раствор ПГ у води даје добру заштиту од смрзавања до око -35 Ц и такође делује као инхибитор корозије када је правилно припремљен. Међутим, у индустријским ПГ колима хлориди имају тенденцију да уђу у круг из бројних извора као што су заостала средства за чишћење, инфилтрација воде расхладног торња кроз измењиваче топлоте или употреба обичне (неомекшане) воде за допуну. ПГ губи своју заштиту од корозије на нивоима хлорида од 2000 ппм, што је ниво који се нормално примећује у системима који се лоше одржавају или системима са цурењем морске воде. При радној температури од 90 степени и околностима ниског протока које фаворизују стагнацију граничног слоја, нерђајући челик 316 је под великим ризиком од корозије удубљења и пукотина. У овој апликацији, дебљина омотача није једноставан прорачун корозије, већ вежба верификације да се покаже да изабрани зид може да издржи комбиновани напад хлорида, повишену температуру и смањен пренос топлоте услед ниског протока.

Механизам питтинга изазваног хлоридом у растворима пропилен гликола

2000 ппм хлорида у 50% раствору пропилен гликола на 90 степени су агресивно окружење за пасивни филм на нерђајућем челику 316. Сам пропилен гликол је слабо инхибиторан, али његов механизам инхибиције зависи од адсорпције молекула гликола на површини метала. На 90 степени адсорбовани слој је мање ефикасан због топлотног кретања. Хлоридни јони су веома покретни и сићушни и такмиче се за површинске локације и изазивају рупице на слабим местима као што су инклузије сулфида или огреботине на површини након пробијања пасивног премаза. Критична температура питтинга нерђајућег челика 316 у раствору хлорида од 2000 ппм је око 50-60 степени само у води. Присуство инхибитора гликола подиже критичну температуру удубљења у 50% пропилен гликола за око 10-15 степени на око 65-75 степени. Радна температура је 90 степени и тако систем ради изнад критичне температуре јаме, тако да питање покретања јаме није „ако“ већ „када“. Када се формира јама, брзина њеног раста се може предвидети логаритамским или линеарним трендом у зависности од доступности кисеоника и отпорности раствора. Објављени резултати за нерђајући челик 316 у гликолу контаминираном хлоридом на 90 степени откривају стопе раста удубљења од 0,2 – 0,6 мм/годишње за аериране услове. Ров који се шири брзином од 0,4 мм/годишње пробио би зид од 1,5 мм за 3,75 година за грејач са очекиваним радним временом од 5000 сати годишње (око 60 % рада). Зид од 2,0 мм би то продужио на 5 година. Међутим, ови прорачуни се заснивају на једној јами, када се у ствари покреће већи број јама и квар се контролише најдубљим.

Утицај услова ниског течења на корозију и њено појачање

За ову примену, услови ниског протока су посебно штетни јер дозвољавају да гранични слој на површини омотача постане презасићен продуктима корозије и хлоридним јонима. Конвекција хлорида од површине је јако ограничена за брзине протока мање од 0,5 м/сец. Садржај хлорида на површини метала може бити пет или десет пута већи у маси и на тај начин у великој мери смањује потенцијал удубљења. Низак проток такође фаворизује делимично кључање или кључање филма на површини омотача када је топлотни ток јак. Формирање и колапс мехурића механички деградирају пасивни слој и стварају локално концентроване растворе хлорида у танком течном филму испод мехурића. Овај механизам доводи до карактеристичног обрасца "питтинг ринг" који се примећује око места нуклеације мехурића на неисправним грејачима. На пример, за проточни грејач направљен од нерђајућег челика 316 који се користи у запреминској температури од 90 степени и густини у ватима омотача од 7-8 В/цм2, површинска температура граничног слоја може бити виша од 110-120 степени чак и при условима ниског протока. На овим температурама критични праг питтинга је знатно прекорачен и брзина ширења јами може бити 1-2 мм/годишње. Верификована дебљина стога мора узети у обзир не само концентрацију и температуру хлорида у расутом стању, већ и локализовани утицај малог протока на појачање. Дебљина која се чини довољном у великим поставкама могла би се покварити у року од неколико месеци када је проток испод 0,3 м/с.

Термичке хидрауличке интеракције ограничавају максималну дебљину

Комбинација дебљине зида, преноса топлоте и малог протока намеће даље ограничење на максималну практичну дебљину омотача. Са повећањем дебљине зида расте топлотни отпор што повећава температуру површине плашта за исти улаз електричне енергије. При малом протоку, коефицијент конвективног преноса топлоте је већ смањен-типично 300–600 В/м²·К при 0,3 м/с у поређењу са 1500–2500 В/м²·К при 2 м/с. Дебљи зид повећава отпор проводљивости у лошем конвективном сценарију. Повећање дебљине зида цеви спољашњег пречника 12 мм у 50% ПГ, на 90 степени, и са брзином протока од 0,3 м/с са 1,2 мм на 2,0 мм повећава температуру омотача са ~125 степени на 155 степени при густини вати од 7 В/цм2. Повећање температуре за 30 степени доводи до повећања од 3 до 5 пута у стопи таложења хлорида након Аррхениусовог понашања. Дебљи зид, за који се претпоставља да је отпоран на корозију, уместо тога чини напад удубљења толико брзим да нето радни век може бити краћи него код тањег, хладнијег зида. Ова само{26}}поразишна петља повратних информација значи да у системима са ниским-протоком, високим-гликолним гликолом постоји оптималан опсег дебљине изнад којег више метала смањује животни век, а не продужава га. Верификовани теренски подаци за циркулацијске грејаче за пивару и прехрамбену индустрију показују да је оптимално између 1,4 и 1,8 мм за већину 50% ПГ система са контаминацијом хлоридима.

Потврђене препоруке за дебљину за различите режиме протока

Тамо где се може обезбедити да брзина протока увек буде већа од 1,0 м/с, дебљина од 1,5-1,7 мм даје поуздан рад пет година у присуству 2000 ппм хлорида. Умерена дебљина одржава температуру омотача испод 120 степени при нормалној густини вати, а турбулентни ток спречава концентрацију хлорида на површини. Минимална верификована дебљина постаје 1,8-2,0 мм за системе са повременим протоком или где проток може постати мањи од 0,5 м/с у неким фазама рада. Овај додатни метал није толико за заштиту од корозије колико за издржавање брзог удубљења које се јавља током догађаја са малим протоком. Међутим, за зид од 2,0 мм, густина у ватима мора бити ограничена на 5-6 В/цм2 да би се температура омотача одржала испод 135 степени при малом протоку. У случају да није могуће смањити густину у ватима због ограничења простора или капацитета грејања, дебљина мора бити ограничена на 1,5–1,6 мм да би се спречило термичко убрзање корозије, а власник система мора прихватити скраћени радни век од три до четири године. 316 нерђајући се не препоручује за системе у којима проток може бити без обзира на стагнацију циклуса топлоте у потпуности. У стагнирајућим условима, локализовано кључање је неизбежно и висока површинска температура, садржај хлорида и механичко деловање мехурића ће проћи кроз сваку практичну дебљину за једну до две године. У таквим околностима треба навести титанијумски омотач или Инцолои 825 грејач.

Верификација испитивањем корозије и теренским подацима

Три извора доказа који подржавају горенаведене препоруке за дебљину су: дубине удубљења од 0,2–0,3 мм/годишње примећене су у тестовима уз мешање (висок проток) и 0,5–0,8 мм/годишње у тестовима без мешања (низак проток) током лабораторијског тестирања потапањем 316 нерђајућег челика купона од нерђајућег челика на лпп520% купона на лпп20% НаЦл. степен . Друго, теренске инспекције циркулационих грејача који су стављени из употребе након три до пет година у петљама гликола у прехрамбеној фабрици где су забележени нивои хлорида на 1500-2500 ппм показују да јединице са зидовима од 1,5-1,6 мм и турбулентним протоком имају максималну дубину јаме од 0,4-0,7 мм остављајући довољан остатак зида. Јединице са зидовима од 2,0-2,2 мм и слабим протоком имају дубину јаме од 0,8-1,2 мм не због мање отпорног материјала, већ зато што је повећана дебљина зида повећала температуру површине и убрзала напад. Треће, скенирање електрохемијске поларизације нерђајућег челика 316 у ПГ контаминираном хлоридом на 80–100 степени показује да потенцијал питинга нагло пада изнад 100 степени, потврђујући да је одржавање температуре омотача испод овог прага важније од додавања дебљине.

Закључак: Верификовани опсег дебљине за поуздану услугу

Валидовани опсег за одређивање дебљине омотача за 316 проточних грејача од нерђајућег челика у 50% пропилен гликола са 2000 ппм хлорида на 90 степени у условима ниског протока је потребан да би се уравнотежила отпорност на точење и топлотно убрзање. За системе доброг дизајна, са брзинама протока од 1,0 м/с и густином у ватима од 6-8 В/цм2, дебљина од 1,5-1,7 мм даје валидирани 5-годишњи радни век. За системе са нормалним радним протоком испод 0,5 м/с, дебљину треба повећати на 1,8-2,0 мм, али само ако се густина у ватима истовремено смањи на 5-6 В/цм². Ниједан систем у коме може доћи до стагнације протока није прихватљив за нерђајући челик 316, без обзира на његову дебљину. Инжењери који одређују грејач за ово тешко окружење морају да наведу не само дебљину зида, већ и најмању дозвољену брзину протока, максималну густину у ватима и метод верификације (тестирање купоном или електрохемијско праћење) који треба пратити током сервиса. Ово мења основне димензионалне захтеве у валидирану технику управљања корозијом која директно повезује дебљину зида са отпорношћу на точење и термичким перформансама у системима гликола контаминираних хлоридима.