Jaká je ověřená tloušťka pláště pro průtokové ohřívače 316 z nerezové oceli v 50% propylenglykolu s 2000 ppm chloridů při 90 stupních a podmínkách nízkého průtoku

Základní výměna-inhibice glykolu s kontaminací chloridy

Propylenglykol (PG) je teplonosná kapalina volby při zpracování potravin, farmaceutické výrobě a pivovarnictví, kde je toxicita ethylenglykolu nepřijatelná. 50% roztok PG ve vodě poskytuje dobrou ochranu proti mrazu do -35 C a také funguje jako inhibitor koroze, pokud je správně připraven. V průmyslových PG okruzích však mají chloridy tendenci pronikat do okruhu z řady zdrojů, jako jsou zbytkové čisticí prostředky, infiltrace vody chladicí věže přes tepelné výměníky nebo použití obyčejné (nezměkčené) přídavné vody. PG ztrácí svou antikorozní ochranu při hladinách chloridů 2000 ppm, což je hladina běžně pozorovaná ve špatně udržovaných systémech nebo systémech s únikem mořské vody. Při provozní teplotě 90 stupňů a nízkém průtoku, který podporuje stagnaci mezní vrstvy, je nerezová ocel 316 vystavena značnému riziku důlkové a štěrbinové koroze. V této aplikaci není tloušťka pláště jednoduchým výpočtem koroze, ale ověřovacím cvičením, které má prokázat, že vybraná stěna odolá kombinovanému působení chloridů, zvýšené teplotě a sníženému přenosu tepla v důsledku nízkého průtoku.

Mechanismus důlkové koroze vyvolané chloridem v roztocích propylenglykolu

2000 ppm chloridů v 50% roztoku propylenglykolu při 90 stupních je agresivním prostředím pro pasivní film na nerezové oceli 316. Samotný propylenglykol je slabě inhibiční, ale jeho inhibiční mechanismus závisí na adsorpci molekuly glykolu na kovový povrch. Při 90 stupních je adsorbovaná vrstva méně účinná kvůli tepelnému pohybu. Chloridové ionty jsou vysoce mobilní a drobné a soutěží o umístění na povrchu a způsobují důlkovou korozi na slabých místech, jako jsou sulfidické inkluze nebo škrábance na povrchu po porušení pasivního povlaku. Kritická bodová teplota nerezové oceli 316 v 2000 ppm roztoku chloridu je kolem 50-60 stupňů v samotné vodě. Přítomnost inhibitoru glykolu zvyšuje kritickou pitting teplotu v 50% propylenglykolu o přibližně 10–15 stupňů na přibližně 65–75 stupňů. Provozní teplota je 90 stupňů a systém je tedy provozován nad kritickou pitting teplotou, takže otázka iniciace důlku není „jestli“, ale „kdy“. Jakmile je důlek vytvořen, lze rychlost jeho růstu předpovědět logaritmickým nebo lineárním trendem v závislosti na dostupnosti kyslíku a odporu roztoku. Publikované výsledky pro nerezovou ocel 316 v glykolu kontaminovaném chloridy při 90 stupních ukazují rychlost růstu důlků 0,2 – 0,6 mm/rok v provzdušňovaných podmínkách. Příkop rozšiřující se rychlostí 0,4 mm/rok by prorazil 1,5 mm stěnu za 3,75 roku u ohřívače s očekávanou dobou provozu 5 000 hodin za rok (přibližně 60 % zatížení). 2,0 mm stěna by to prodloužila na 5 let. Tyto výpočty jsou však založeny na jedné jámě, kdy ve skutečnosti je iniciováno několik jam a porucha je řízena tou nejhlubší.

Vliv podmínek nízkého proudění na korozi a její zesílení

Pro tuto aplikaci jsou podmínky nízkého průtoku zvláště škodlivé, protože umožňují přesycení mezní vrstvy na povrchu pláště korozními produkty a chloridovými ionty. Konvekce chloridů od povrchu je silně omezena pro rychlosti proudění menší než 0,5 m/s. Obsah chloridů na kovovém povrchu může být pětkrát nebo desetkrát vyšší než v celém objemu, a tak značně snižuje potenciál důlkové koroze. Nízký průtok také podporuje částečný var nebo filmový var na povrchu pláště, když je tepelný tok silný. Vznik a kolaps bublin mechanicky degraduje pasivní vrstvu a vytváří lokálně koncentrované roztoky chloridů v tenkém kapalném filmu pod bublinou. Tento mechanismus vede k charakteristickému vzoru „pitting ring“, který je pozorován kolem míst nukleace bublin na selhaných ohřívačích. Například u průtokového ohřívače vyrobeného z nerezové oceli 316 používaného při objemové teplotě 90 stupňů a hustotě wattů pláště 7-8 W/cm2 může být povrchová teplota mezní vrstvy vyšší než 110-120 stupňů i za podmínek nízkého průtoku. Při těchto teplotách je kritický práh důlkové koroze značně překročen a rychlost šíření důlků může být 1-2 mm/rok. Ověřená tloušťka proto musí brát v úvahu nejen koncentraci a teplotu chloridů, ale také lokální zesílení nízkého průtoku. Tloušťka, která se zdá být dostatečná ve velkoobjemových podmínkách, by se mohla rozpadnout během měsíců, když je průtok nižší než 0,3 m/s.

Tepelně-hydraulické interakce omezující maximální tloušťku

Vzájemné působení tloušťky stěny, prostupu tepla a nízkého průtoku představuje další omezení maximální možné tloušťky pláště. S rostoucí tloušťkou stěny roste tepelný odpor, což zvyšuje povrchovou teplotu pláště při stejném elektrickém příkonu. Při nízkém průtoku je koeficient prostupu tepla konvekcí již snížen-typicky na 300–600 W/m²·K při 0,3 m/s ve srovnání s 1500–2500 W/m²·K při 2 m/s. Silnější stěna zvyšuje vodivý odpor při špatném konvektivním scénáři. Zvětšení tloušťky stěny trubky o vnějším průměru 12 mm v 50 % PG, při 90 stupních a s rychlostí proudění 0,3 m/s z 1,2 mm na 2,0 mm zvyšuje teplotu pláště z ~125 stupňů na 155 stupňů při wattové hustotě 7 W/cm2. Zvýšení teploty o 30 stupňů má za následek 3 až 5 násobné zvýšení rychlosti tvorby důlků chloridů po Arrheniusově chování. Tlustší stěna, která má nabízet korozní přídavek, místo toho způsobuje, že bodové napadení je tak rychlé, že čistá životnost může být nižší než u tenčí, chladnější stěny. Tato sebe-smyčka zpětné vazby znamená, že v systémech s nízkým-průtokem a vysokým-chloridem glykolem existuje optimální rozsah tloušťky, za kterým více kovu životnost spíše snižuje, než prodlužuje. Ověřené provozní údaje pro pivovarské a potravinářské cirkulační ohřívače ukazují, že optimum je mezi 1,4 a 1,8 mm pro většinu 50% PG systémů s kontaminací chloridy.

Potvrzená doporučení tloušťky pro různé režimy proudění

Tam, kde lze zajistit, že rychlost proudění bude vždy vyšší než 1,0 m/s, poskytuje tloušťka 1,5-1,7 mm spolehlivou službu po dobu pěti let v přítomnosti 2000 ppm chloridů. Střední tloušťka udržuje teplotu pláště pod 120 stupňů při normálních wattových hustotách a turbulentní proudění zabraňuje koncentraci chloridů na povrchu. Minimální ověřená tloušťka je 1,8-2,0 mm u systémů s přerušovaným prouděním nebo tam, kde může být průtok v některých provozních fázích nižší než 0,5 m/s. Tento přídavný kov není ani tak pro korozní přídavek, jako spíše pro odolnost proti rychlému důlkové korozi, ke které dochází během událostí s nízkým průtokem. Pro stěnu o tloušťce 2,0 mm však musí být hustota wattů omezena na 5-6 W/cm2, aby se teplota pláště udržela pod 135 stupňů při nízkém průtoku. V případě, že není možné snížit wattovou hustotu z důvodu prostorových nebo topných kapacit, musí být tloušťka omezena na 1,5–1,6 mm, aby nedocházelo k tepelnému zrychlení koroze, a majitel systému musí akceptovat zkrácenou životnost na tři až čtyři roky. 316 nerez se nedoporučuje pro systémy, kde může být průtok během topných cyklů zcela stagnující (nulová rychlost) bez ohledu na tloušťku. Za stagnujících podmínek je lokální var nevyhnutelný a vysoká povrchová teplota, obsah chloridů a mechanické působení bublin prorazí jakoukoli praktickou tloušťku za jeden až dva roky. Za takových okolností by měl být specifikován titanový plášť nebo ohřívač Incoloy 825.

Ověření pomocí korozního testování a provozních údajů

Tři zdroje důkazů podporujících výše uvedená doporučení pro tloušťku jsou: Hloubky důlků 0,2–0,3 mm/rok byly pozorovány při zkouškách s mícháním (vysoký průtok) a 0,5–0,8 mm/rok při zkouškách bez míchání (nízký průtok) během laboratorního testování ponořením 316 vzorků z nerezové oceli v 50 % PG s 2000 ppm při 90 stupních NaCl. Za druhé, terénní inspekce cirkulačních ohřívačů vyřazených z provozu po třech až pěti letech v glykolových smyčkách potravinářských závodů, kde byly hladiny chloridů hlášeny na 1500-2500 ppm, ukazují, že jednotky se stěnami 1,5-1,6 mm a turbulentním prouděním mají maximální hloubku jímky 0,4-0,7 mm, přičemž ponechávají dostatečnou zbytkovou stěnu. Jednotky se stěnami 2,0-2,2 mm a špatným průtokem mají hloubku jámy 0,8-1,2 mm ne kvůli méně odolnému materiálu, ale proto, že zvýšená tloušťka stěny zvýšila povrchovou teplotu a urychlila útok. Za třetí, skeny elektrochemické polarizace nerezové oceli 316 v PG kontaminovaném chloridy při 80–100 stupních ukazují, že potenciál důlkové koroze prudce klesá nad 100 stupňů, což potvrzuje, že udržování teploty pláště pod touto prahovou hodnotou je důležitější než přidávání tloušťky.

Závěr: Ověřený rozsah tloušťky pro spolehlivou službu

Pro vyrovnání odporu proti důlkové korozi a tepelného zrychlení je vyžadován ověřený rozsah pro stanovení tloušťky pláště pro průtokové ohřívače z nerezové oceli 316 v 50% propylenglykolu s 2000 ppm chloridů při 90 stupních za podmínek nízkého průtoku. U systémů dobrého designu s rychlostmi proudění 1,0 m/sa hustotami ve wattech 6-8 W/cm2 poskytuje tloušťka 1,5–1,7 mm ověřenou životnost 5 let. U systémů s normálním provozním průtokem pod 0,5 m/s by měla být tloušťka zvýšena na 1,8-2,0 mm, ale pouze v případě, že se současně sníží wattová hustota na 5-6 W/cm². Žádný systém, kde může dojít ke stagnaci toku, není přijatelný pro nerezovou ocel 316, bez ohledu na její tloušťku. Technici, kteří specifikují ohřívač pro toto obtížné prostředí, musí specifikovat nejen tloušťku stěny, ale také nejnižší přípustnou rychlost proudění, maximální hustotu wattů a metodu ověřování (testování kuponů nebo elektrochemické monitorování), které se mají během provozu dodržovat. Tím se mění základní rozměrový požadavek na ověřenou techniku ​​řízení koroze, která přímo souvisí s tloušťkou stěny a odolností proti důlkové korozi a tepelným výkonem v glykolových systémech kontaminovaných chloridy.