Aká je spoľahlivá hrúbka plášťa pre cirkulačné ohrievače 316 z nehrdzavejúcej ocele v 40% soľanke chloridu vápenatého pri 90 stupňoch s tlakom 5 barov

Základná výmena-služby soľanky s vysokou{1}}hustotou

Soľanka chloridu vápenatého (40 % koncentrácia) je typická teplonosná kvapalina používaná v chladiacich systémoch, odmrazovacích aplikáciách a priemyselných chladiacich okruhoch. Soľanka s chloridom vápenatým (hustota asi 1,4 g/cm3, bod tuhnutia -45 stupňov pri optimálnej koncentrácii) je hustejšia ako soľanka s chloridom sodným a možno ju udržiavať v tekutom stave pri nižších teplotách. Nerezová oceľ 316 spĺňa veľmi náročné prostredie pri 90 stupňoch a systémovom tlaku 5 bar. 40 % soľanky chloridu vápenatého má obsah chloridov približne 25 % hmotnosti a je veľmi agresívna. Korozívne správanie je však v porovnaní s chloridom sodným zmiernené v dôsledku prítomnosti vápenatých iónov. Vápenaté ióny inhibujú aktivitu chloridových iónov párovaním iónov. Pre spoľahlivú hrúbku plášťa pre túto funkciu je potrebné brať do úvahy tlakovú izoláciu, odolnosť proti jamkovej korózii v soľanke s vysokým obsahom chloridov, eróziu od akýchkoľvek nerozpustených látok a tepelnú účinnosť potrebnú na prenos tepla. Na rozdiel od chloridu železitého, kde sa 316 veľmi nehodí, 316 nerez môže prijímať soľanku chloridu vápenatého pri miernych teplotách so správnou hrúbkou a prevádzkovou disciplínou.

Tlaková izolácia pri 5 baroch a 90 C

Požiadavka namáhania obruče pre plášť cirkulačného ohrievača pri tlaku 5 barov je malá, ale nie nulová. Pre rúrku s vonkajším priemerom 12 mm to závisí od hrúbky steny. Vzorec namáhania obruče je σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t dáva nasledujúce hodnoty: pre stenu 1,2 mm (vnútorný polomer 4,8 mm) je napätie 0,5 MPa krát 4,8 mm nad 1,2 mm, čo dáva 2,0 MPa. Pre 2,0 mm stenu (vnútorný polomer 4,0 mm) je napätie 0,5 MPa krát 4,0 mm delené 2,0 mm, čo je 1,0 MPa. Oba výsledky sú podstatne nižšie ako medza klzu 170 MPa nehrdzavejúcej ocele 316 pri 90 stupňoch. Hrúbka nie je určená samotným tlakom. Cirkulačné ohrievače soľankového systému sa však často montujú na závitové alebo prírubové armatúry, ktoré musia znášať montážny krútiaci moment a tlaky tepelnej rozťažnosti. Minimálna hrúbka v miestach pripojenia by mala byť 1,2 mm pre záber závitu a mechanickú pružnosť. Tenšie steny ako 1,0 mm môžu byť pri inštalácii ohrozené strhnutím závitu alebo deformáciou.

Odolnosť voči lokalizovanej korózii v koncentrovaných soľných roztokoch chloridu vápenatého

Odolnosť nehrdzavejúcej ocele 316 proti jamkovej korózii v soľanke s chloridom vápenatým je oveľa lepšia ako v soľanke na báze chloridu sodného pri podobných hmotnostných percentách chloridu. Je to preto, že chloridové ióny sú menej aktívne v roztokoch chloridu vápenatého. Kritická bodová teplota nehrdzavejúcej ocele 316 v 25% koncentrácii chloridových iónov (od 40% CaCl2) je asi 45-55 stupňov v závislosti od obsahu kyslíka a podmienok prietoku. Roztok je oveľa nad kritickou teplotou bodkovania 90 °C, takže dôjde k bodkovaniu. Otázkou je, akou rýchlosťou sa jamy šíria. Rýchlosti rastu jamiek pre nehrdzavejúcu oceľ 316 v 40 % CaCl2 pri 90 stupňoch pri prevzdušňovaní sú publikované ako 0,3-0,8 mm/rok, pričom nižšia hodnota je spojená s podmienkami turbulentného prúdenia, ktoré bránia koncentrácii chloridov na vstupe do jamy. Pre cirkulačný ohrievač s rýchlosťou prúdenia 1,5-2,0 m/s je rýchlosť rastu jamy asi 0,3-0,5 mm/rok. Maximálna predpokladaná hĺbka jamy je 1,5 až 2,5 mm počas päťročnej projektovanej životnosti. Tento výpočet je priamym stimulom pre výber hrúbky. Stena s hrúbkou 1,5 mm by mala po piatich rokoch vysokú pravdepodobnosť prepichnutia. Hrúbka steny je 2,0 mm. Po 5 rokoch rozširovania jamy je bezpečnostná rezerva 0,5-1,5 mm. Hrúbka steny 2,5 mm poskytuje väčšiu rezervu, ale s veľkými tepelnými a nákladovými pokutami. Spoľahlivý rozsah hrúbky pre 5-ročnú životnosť je 2,0-2,3 mm.

Úvahy o rovnomernej korózii a štrbinovom útoku

Hlavným problémom je jamková korózia, ale môžete merať rovnomernú koróziu v 40% soľanke chloridu vápenatého pri 90 stupňoch. Publikované štúdie úbytku hmotnosti ukazujú rýchlosť korózie 0,05-0,12 mm/rok za podmienok prúdenia a sú konzistentné. Počas 5 rokov je zaznamenaný rovnomerný pokles o 0,25 až 0,60 mm. Toto poškodenie znižuje efektívnu hrúbku steny, ktorá je k dispozícii na odolanie prenikaniu jamiek. 5-ročná rovnomerná rýchlosť korózie 0,10 mm/rok na stene s hrúbkou 2,0 mm zanecháva hrúbku 1,5 mm predtým, ako začne vznik jamkovej korózie. Jama expandujúca rýchlosťou 0,4 mm za rok po dobu piatich rokov by dosiahla hĺbku 2,0 mm a perforovala by stenu. Kombinácia dôsledných strát a jamiek znamená, že stena s hrúbkou 2,0 mm je blízko hranice spoľahlivosti pre kompletnú päťročnú životnosť. Napadnutie štrbín na tesneniach príruby, závitových spojoch a pod akýmikoľvek usadeninami vodného kameňa má ďalší rozmer. V trhlinách v soľanke chloridu vápenatého sa môže vyskytnúť lokalizovaná rýchlosť korózie 0,5-1,0 mm za rok. Z tohto dôvodu by mali mať cirkulačné ohrievače soľanky skôr zváranú konštrukciu ako závitové a všade, kde je to možné, by sa malo vyhnúť tesneniam.

Tepelný výkon hrubých stien Náklady na hrubé steny

Tepelná vodivosť 40 % soľanky chloridu vápenatého je asi 0,55 W/m·K pri 90 stupňoch, čo je oveľa menej ako pri vode (0,68 W/m·K). Preto je koeficient prestupu tepla konvekciou pri turbulentnom prúdení menší, zvyčajne 600-1000 W/m²·K v porovnaní s 1500-2500 W/m²·K pre vodu. Tepelný odpor plášťa tak prispieva k celkovému tepelnému okruhu väčšou mierou ako vo vodovodnom systéme. Pre rúrku s vonkajším priemerom 12 mm sa elektrický odpor zvyšuje o približne 0,004 m²·K/W, keď sa hrúbka steny zväčší z 1,5 mm na 2,5 mm. Tento zvýšený odpor zvyšuje teplotu plášťa o 8-10 stupňov pre typickú wattovú hustotu cirkulačného ohrievača 7-8 W/cm2. S 2,5 mm stenou môže byť teplota plášťa zvýšená na 110-115 stupňov pre objemovú teplotu 90 stupňov. Rýchlosť tvorby jamiek pri týchto teplotách sa zvýšila približne o 50-100% v porovnaní s rýchlosťou 100 stupňov. Zväčšená hrúbka steny pre odolnosť proti korózii by mohla podporovať jamkovú koróziu v dôsledku tepelného efektu. Výsledkom je okno s optimálnou hrúbkou, dostatočne tenké na zachovanie teploty plášťa<105°C, but thick enough to permit pitting. The optimum range for most calcium chloride circulation systems is 2.0 to 2.2 mm.

Odporúčania hrúbky pre rôzne prevádzkové podmienky, spoľahlivé

Pre cirkulačný ohrievač v 40 % soľanke chloridu vápenatého pri 90 stupňoch a 5 baroch s turbulentným prietokom (Re > 10 000) a konštrukčnou životnosťou päť rokov je spoľahlivá hrúbka plášťa 2,0-2,2 mm. Táto hrúbka umožňuje po piatich rokoch rovnomernej korózie toleranciu 1,0 – 1,5 mm, za predpokladu rýchlosti rastu jamiek 0,4 mm za rok. Dostatočné na 3-ročnú konštrukčnú životnosť 1,6 – 1,8 mm To je 2,5 – 2,8 mm na desaťročnú konštrukčnú životnosť, ale tepelné straty sú značné. Modernizácia na vyššiu zliatinu, ako je 316Ti alebo 317L, môže byť nákladovo efektívnejšia. V prípade systémov s laminárnym prúdením alebo mŕtvymi zónami s vyššou mierou jamkovej korózie by sa mala hrúbka zvýšiť o 0,3–0,5 mm. Pre systémy využívajúce odvzdušnenú soľanku (rozpustený kyslík menej ako 100 ppb) sa rýchlosť tvorby jamiek zníži na 0,1 – 0,2 mm za rok a môže sa znížiť na 1,5 – 1,8 mm na päťročnú životnosť.

Praktické konštrukčné opatrenia, ktoré znižujú požiadavky na hrúbku

K dispozícii sú rôzne konštrukčné opatrenia na zníženie potrebnej hrúbky plášťa bez zníženia spoľahlivosti. Po prvé, riadenie toku: Minimálna rýchlosť prúdenia 1,5 m/s je zavedená, aby sa zabránilo stagnácii hraničnej vrstvy a aby sa dvojnásobne minimalizovala rýchlosť jamkovej korózie. 2. Odvzdušnenie: Dusíková pokrývka nad expanznou nádržou znižuje rozpustený kyslík z 8 ppm na menej ako 0,5 ppm s pozoruhodným znížením bodovej korózie a konzistentnou rýchlosťou korózie. Po tretie, pridanie inhibítorov. Chróman sodný alebo molybdenan sodný pri 200-500 ppm výrazne zvyšuje odolnosť proti jamkovej korózii a umožňuje zmenšenie hrúbky o 0,3-0,5 mm. Po štvrté, povrchová úprava. Elektrolyticky leštené rúrky majú menej miest iniciácie jamiek a nižšiu rýchlosť rastu jamiek ako mechanicky leštené rúrky. 1,8 mm elektrolyticky leštená stena môže fungovať lepšie ako 2,2 mm nakreslená stena.

Záver: Spoľahlivá hrúbka soľanky chloridu vápenatého

Zistilo sa, že hrúbka plášťa 2,0 až 2,2 mm je spoľahlivá na päť rokov projektovanej životnosti 316 SS cirkulačných ohrievačov v turbulentných, prevzdušnených podmienkach pre 40 % soľanku chloridu vápenatého pri 90 °C a tlaku 5 barov. Táto hrúbka je kompromisom medzi prípustnou bodovou koróziou, rovnomerným okrajom korózie a tepelným výkonom. Steny tenšie ako 1,8 mm pravdepodobne perforujú do 3 rokov. Hrubšie steny nad 2,5 mm zvyšujú teplotu plášťa do oblasti, kde sa zrýchľuje tvorba jamiek a znižuje sa návratnosť. Najspoľahlivejšia špecifikácia zahŕňa nielen hrúbku, ale aj špecifikácie pre minimálnu rýchlosť prúdenia (1,5 m/s), povrchovú úpravu (elektricky leštená) a tam, kde je to možné, kontrolu rozpusteného kyslíka. Inžinieri by mali pri definovaní uviesť návrhovú životnosť v rokoch a režim prúdenia. Toto mení rozhodnutie o hrúbke z odhadu na výpočet pomocou publikovaných údajov o korózii a tepelného modelovania poskytujúceho spoľahlivý dlhodobý výkon v jednom z problematickejších slaných podmienok pre nehrdzavejúcu oceľ 316.