Apakah Ketebalan Sarung Yang Disahkan untuk Pemanas Aliran Keluli Tahan Karat 316 dalam 50% Propilena Glikol dengan Klorida 2000 ppm pada 90 darjah dan Keadaan Aliran Rendah

Pertukaran Asas-dalam Perencatan Glikol dengan Pencemaran Klorida

Propilena glikol (PG) ialah cecair pemindahan haba pilihan dalam pemprosesan makanan, pembuatan farmaseutikal dan aplikasi membancuh di mana ketoksikan etilena glikol tidak boleh diterima. Larutan PG 50% dalam air memberikan perlindungan beku yang baik kepada kira-kira -35 C dan juga berfungsi sebagai perencat kakisan apabila disediakan dengan betul. Walau bagaimanapun, dalam litar PG industri klorida cenderung masuk ke dalam litar daripada beberapa sumber seperti sisa agen pembersih, penyusupan air menara penyejuk melalui penukar haba atau penggunaan air solek biasa (tidak dilembutkan). PG kehilangan perlindungan kakisannya pada paras klorida 2000 ppm, iaitu paras yang biasanya diperhatikan dalam sistem atau sistem yang tidak diselenggara dengan baik dengan kebocoran air laut. Pada suhu operasi 90 darjah dan keadaan aliran rendah yang memihak kepada genangan lapisan sempadan, keluli tahan karat 316 berisiko besar untuk hakisan pitting dan celah. Dalam aplikasi ini, ketebalan sarung bukanlah pengiraan elaun kakisan yang mudah, tetapi latihan pengesahan untuk menunjukkan bahawa dinding yang dipilih boleh menahan serangan gabungan klorida, suhu tinggi dan pemindahan haba yang berkurangan akibat aliran rendah.

Mekanisme pitting teraruh oleh klorida dalam larutan propilena glikol

2000 ppm klorida dalam larutan propilena glikol 50% pada 90 darjah adalah persekitaran yang agresif kepada filem pasif pada keluli tahan karat 316. Propilena glikol itu sendiri adalah perencatan yang lemah namun mekanisme perencatannya bergantung pada penjerapan molekul glikol ke permukaan logam. Pada 90 darjah lapisan terjerap kurang cekap disebabkan oleh gerakan haba. Ion klorida sangat mudah alih dan kecil serta bersaing untuk lokasi permukaan dan menyebabkan lubang di tempat lemah seperti kemasukan sulfida atau calar pada permukaan selepas melanggar salutan pasif. Suhu pitting kritikal 316 keluli tahan karat dalam larutan klorida 2000 ppm adalah sekitar 50-60 darjah dalam air sahaja. Kehadiran glikol perencat meningkatkan suhu pitting kritikal dalam 50 % propilena glikol sekitar 10–15 darjah kepada sekitar 65–75 darjah . Suhu operasi ialah 90 darjah dan sistem itu dikendalikan di atas suhu pitting kritikal, supaya persoalan permulaan pit bukan "jika" tetapi "bila". Sebaik sahaja lubang terbentuk, kadar pertumbuhannya boleh diramalkan dengan aliran logaritma atau linear bergantung kepada ketersediaan oksigen dan kerintangan larutan. Keputusan yang diterbitkan untuk keluli tahan karat 316 dalam glikol tercemar klorida pada 90 darjah mendedahkan kadar pertumbuhan lubang 0.2 – 0.6 mm/tahun untuk keadaan berudara. Parit yang mengembang pada kadar 0.4 mm/tahun akan menembusi dinding 1.5 mm dalam 3.75 tahun untuk pemanas dengan jangkaan masa operasi 5000 jam setahun (kira-kira 60 % tugas). Dinding 2.0 mm akan memanjangkannya kepada 5 tahun. Walau bagaimanapun, pengiraan ini adalah berdasarkan satu pit, sedangkan sebenarnya beberapa pit dimulakan dan kegagalan dikawal oleh yang paling dalam.

Kesan keadaan aliran rendah terhadap kakisan dan penguatannya

Untuk aplikasi ini, keadaan aliran rendah amat memudaratkan kerana ia membenarkan lapisan sempadan pada permukaan sarung menjadi supertepu dengan produk kakisan dan ion klorida. Perolakan klorida dari permukaan sangat terhad untuk halaju aliran kurang daripada 0.5 m/s. Kandungan klorida pada permukaan logam mungkin lima atau sepuluh kali ganda secara pukal dan sangat mengurangkan potensi pitting. Aliran rendah juga menyukai pendidihan separa atau pendidihan filem pada permukaan sarung apabila fluks haba kuat. Pembentukan dan keruntuhan buih secara mekanikal merendahkan lapisan pasif dan mencipta larutan klorida pekat tempatan dalam filem cecair nipis di bawah gelembung. Mekanisme ini membawa kepada corak ciri "pitting ring" yang diperhatikan di sekitar tapak nukleasi gelembung pada pemanas yang gagal. Sebagai contoh, untuk pemanas aliran yang diperbuat daripada keluli tahan karat 316 yang digunakan dalam suhu pukal 90 darjah dan ketumpatan watt sarung 7-8 W/cm2 , suhu permukaan lapisan sempadan boleh lebih tinggi daripada 110-120 darjah walaupun pada keadaan aliran rendah. Pada suhu ini, ambang pitting kritikal sangat melebihi dan kadar perambatan pit boleh 1-2 mm/tahun. Oleh itu, ketebalan yang disahkan mesti mengambil kira bukan sahaja kepekatan dan suhu pukal klorida tetapi juga kesan penguatan setempat aliran rendah. Ketebalan yang kelihatan mencukupi dalam tetapan pukal boleh rosak dalam beberapa bulan apabila aliran di bawah 0.3 m/s.

Interaksi Hidraulik Terma Mengehadkan Ketebalan Maksimum

Interaksi ketebalan dinding, penghantaran haba dan aliran rendah mengenakan had selanjutnya pada ketebalan sarung maksimum yang boleh dipraktikkan. Dengan peningkatan ketebalan dinding rintangan haba meningkat yang meningkatkan suhu permukaan sarung untuk input kuasa elektrik yang sama. Pada aliran rendah, pekali pemindahan haba perolakan sudah berkurangan-biasanya 300–600 W/m²·K pada 0.3 m/s berbanding dengan 1500–2500 W/m²·K pada 2 m/s. Dinding yang lebih tebal meningkatkan rintangan konduktif dalam senario perolakan yang buruk. Meningkatkan ketebalan dinding tiub diameter luar 12 mm dalam 50 % PG, pada 90 darjah, dan dengan halaju aliran 0.3 m/s daripada 1.2 mm kepada 2.0 mm meningkatkan suhu sarung daripada ~125 darjah kepada 155 darjah pada ketumpatan watt 7 W/cm2. Peningkatan suhu 30 darjah menghasilkan peningkatan 3 hingga 5 kali ganda dalam kadar pitting klorida berikutan tingkah laku Arrhenius. Dinding yang lebih tebal, yang sepatutnya menawarkan elaun kakisan, sebaliknya menjadikan serangan pitting begitu pantas sehingga hayat perkhidmatan bersih mungkin kurang daripada dengan dinding yang lebih nipis dan lebih sejuk. Gelung maklum balas yang mengalahkan sendiri-ini bermakna dalam sistem-aliran rendah,-klorida glikol tinggi, terdapat julat ketebalan optimum yang melebihi logam yang mengurangkan hayat dan bukannya memanjangkannya. Data medan yang disahkan untuk kedua-dua kilang bir dan pemanas edaran industri makanan menunjukkan optimum antara 1.4 dan 1.8 mm untuk kebanyakan sistem PG 50% dengan pencemaran klorida.

Syor Ketebalan yang Disahkan untuk Pelbagai Rejim Aliran

Di mana halaju aliran boleh dipastikan sentiasa lebih tinggi daripada 1.0 m/s, ketebalan 1.5-1.7 mm memberikan perkhidmatan yang boleh dipercayai selama lima tahun dengan kehadiran klorida 2000 ppm. Ketebalan sederhana mengekalkan suhu sarung di bawah 120 darjah pada ketumpatan watt biasa dan aliran bergelora menghalang kepekatan klorida di permukaan. Ketebalan minimum yang disahkan menjadi 1.8-2.0 mm untuk sistem dengan aliran terputus-putus atau di mana aliran boleh menjadi kurang daripada 0.5 m/s dalam beberapa fasa operasi. Logam tambahan ini tidak begitu banyak untuk elaun kakisan untuk menahan pitting cepat yang berlaku semasa kejadian aliran rendah. Walau bagaimanapun, untuk dinding 2.0 mm, ketumpatan watt mesti dihadkan kepada 5-6 W/cm2 untuk mengekalkan suhu sarung di bawah 135 darjah pada aliran rendah. Sekiranya tidak mungkin untuk mengurangkan ketumpatan watt disebabkan oleh ruang atau had kapasiti pemanasan, ketebalan mesti dihadkan kepada 1.5–1.6 mm untuk mengelakkan pecutan haba kakisan, dan pemilik sistem mesti menerima hayat perkhidmatan yang dipendekkan selama tiga hingga empat tahun. 316 tahan karat tidak dicadangkan untuk sistem yang aliran boleh bertakung sepenuhnya (semasa ketebalan sifar). Dalam keadaan bertakung, pendidihan setempat tidak dapat dielakkan dan suhu permukaan yang tinggi, kandungan klorida dan tindakan gelembung mekanikal akan menembusi sebarang ketebalan praktikal dalam masa satu hingga dua tahun. Dalam keadaan sedemikian sarung titanium atau pemanas Incoloy 825 harus ditentukan.

Pengesahan melalui ujian kakisan dan data medan

Tiga sumber bukti yang menyokong pengesyoran di atas untuk ketebalan ialah: Kedalaman lubang 0.2–0.3 mm/tahun dilihat dalam ujian kacau (aliran tinggi) dan 0.5–0.8 mm/tahun dalam ujian tidak kacau (aliran rendah) semasa ujian rendaman makmal 316 kupon keluli tahan karat dalam 50 % Natrium 000 ppm PG dengan 50 % ppm000 PG. Kedua, pemeriksaan medan pemanas edaran dikeluarkan daripada perkhidmatan selepas tiga hingga lima tahun dalam gelung glikol kilang makanan di mana paras klorida telah dilaporkan pada 1500-2500 ppm menunjukkan bahawa unit dengan dinding 1.5-1.6 mm dan aliran turbulen mempunyai kedalaman lubang maksimum 0.4-0.7 mm meninggalkan dinding sisa yang mencukupi. Unit dengan dinding 2.0-2.2 mm dan aliran yang lemah mempunyai kedalaman lubang 0.8-1.2 mm bukan kerana bahan yang kurang tahan tetapi kerana ketebalan dinding yang meningkat meningkatkan suhu permukaan dan mempercepatkan serangan. Ketiga, imbasan polarisasi elektrokimia 316 keluli tahan karat dalam PG tercemar klorida pada 80–100 darjah menunjukkan bahawa potensi pitting menurun dengan mendadak melebihi 100 darjah mengesahkan bahawa mengekalkan suhu sarung di bawah ambang ini adalah lebih penting daripada menambah ketebalan.

Kesimpulan: Julat Ketebalan Yang Disahkan untuk Perkhidmatan Boleh Dipercayai

Julat yang disahkan untuk penentuan ketebalan sarung untuk 316 pemanas aliran keluli tahan karat dalam 50% propilena glikol dengan 2000 ppm klorida pada 90 darjah pada keadaan aliran rendah diperlukan untuk mengimbangi rintangan pitting dan pecutan terma. Untuk sistem reka bentuk yang baik, dengan halaju aliran 1.0 m/s dan ketumpatan watt 6-8 W/cm2, ketebalan 1.5-1.7 mm memberikan hayat perkhidmatan 5 tahun yang disahkan. Untuk sistem dengan kadar aliran operasi biasa di bawah 0.5 m/s, ketebalan perlu ditingkatkan kepada 1.8-2.0 mm, tetapi hanya jika ketumpatan watt dikurangkan secara serentak kepada 5-6 W/cm². Tiada sistem di mana genangan aliran boleh berlaku boleh diterima untuk keluli tahan karat 316, tanpa mengira ketebalannya. Jurutera yang menentukan pemanas untuk persekitaran yang sukar ini mesti menyatakan bukan sahaja ketebalan dinding, tetapi juga halaju aliran terendah yang dibenarkan, ketumpatan watt maksimum, dan kaedah pengesahan (ujian kupon atau pemantauan elektrokimia) yang perlu diikuti semasa perkhidmatan. Ini mengubah keperluan dimensi asas kepada teknik pengurusan kakisan yang disahkan yang secara langsung mengaitkan ketebalan dinding dengan rintangan pitting dan prestasi terma dalam sistem glikol tercemar klorida.