Sự biện minh kỹ thuật cho độ dày vỏ bọc 1,2 mm so với 2,0 mm trong Máy sưởi ngâm nước nồi hơi bằng thép không gỉ 316 ở 150 độ và 6 bar là gì

Dịch vụ nước có áp suất nhiệt độ cao: Sự đánh đổi cơ bản{0}}

Một trong những điều kiện khắc nghiệt nhất đối với bất kỳ vật liệu vỏ kim loại nào là lò sưởi ngâm trong nước nồi hơi. Nước ở dạng lỏng ở nhiệt độ 150C và áp suất 6 bar nhưng gần với đường cong bão hòa, do đó bất kỳ sự chênh lệch nhiệt độ cục bộ nào trên bề mặt vỏ bọc đều có thể bắt đầu quá trình sôi mầm hoặc thậm chí sôi màng. Trong những trường hợp hóa học nước được quản lý chính xác, thép không gỉ 316 có khả năng chống ăn mòn nói chung đầy đủ. Tuy nhiên, có hai cơ chế hư hỏng trở nên quan trọng. Ăn mòn ứng suất gây nứt do hydroxit đậm đặc và rỗ do bất kỳ sự xâm nhập nào của clorua. Việc lựa chọn độ dày vỏ bọc 1,2 mm so với 2,0 mm không phải là vấn đề lựa chọn. Mỗi con số đại diện cho một triết lý kỹ thuật khác nhau với các cách giải thích khác nhau dựa trên khả năng ngăn chặn áp suất, cho phép ăn mòn, phản ứng nhiệt và kiểm soát chế độ sôi. Nghiên cứu này trình bày lý do kỹ thuật cho từng tùy chọn độ dày và xác định các trường hợp trong đó cái này rõ ràng vượt trội cái kia.

Biện pháp duy trì áp suất ở 6 bar, 150 độ

Ứng suất vòng trong vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 ở áp suất vận hành 6 bar (đồng hồ đo) được tính bằng công thức hình trụ có thành mỏng. Bán kính trong của ống có đường kính ngoài 12 mm và độ dày 1,2 mm là 4,8 mm. Ứng suất vòng là áp suất nhân với bán kính bên trong chia cho độ dày thành: 0,6 MPa nhân 4,8 mm chia cho 1,2 mm bằng 2,4 MPa. Đối với độ dày thành 2,0 mm, bán kính trong là 4,0 mm và ứng suất vòng là 0,6 MPa × 4,0 mm / 2,0 mm=1.2 MPa . Cả hai con số đều thấp hơn cường độ chảy của thép không gỉ 316 ở 150 độ khoảng 170 MPa. Ngăn chặn áp lực không biện minh cho bức tường dày hơn. Ngay cả bức tường 1,2 mm cũng có hệ số an toàn là 70 đối với hiện tượng mất năng suất. Để được chịu áp lực ở mức 6 bar, độ dày thành yêu cầu tối thiểu nhỏ hơn 0,3 mm. Do đó, cơ sở kỹ thuật cho cả hai độ dày phải dựa trên các căn cứ khác chứ không phải dựa trên việc xem xét áp suất nổ.

Tại sao phải cho phép ăn mòn trong hóa học nước nồi hơi

Nước nồi hơi thường được xử lý để duy trì điều kiện kiềm (pH 9-11) và loại bỏ oxy hòa tan, clorua và các chất gây hại khác. Tốc độ ăn mòn chung của thép không gỉ 316 trong môi trường hóa học nước tối ưu ở 150 độ là khá thấp, khoảng 0,005-0,015 mm/năm. Một bức tường dày 1,2 mm sẽ chỉ có khả năng chịu được từ 80 đến 240 năm nếu bị tấn công liên tục. Nhưng các hệ thống nồi hơi chính hãng có những tình trạng khó chịu: rò rỉ bình ngưng tạo ra clorua, xử lý hóa học kém gây ra nồng độ xút hoặc oxy xâm nhập trong quá trình bảo trì. Tốc độ ăn mòn cục bộ được ước tính cao tới 0,1-0,3 mm/năm trong điều kiện sốc. Tường dày 1,2 mm, cho phép ăn mòn khoảng 0,6-0,7 mm trước khi bạn đạt đến độ dày kết cấu tối thiểu là 0,5 mm. Giấy phép này sẽ có hiệu lực từ 3 đến 4 năm với tốc độ ăn mòn khó chịu là 0,2 mm/năm. Thành 2,0 mm cho phép ăn mòn 1,3-1,4 mm và kéo dài thời gian tồn tại khó chịu lên sáu đến tám năm. Vì vậy, lý do kỹ thuật của vách 2,0 mm trong dịch vụ nước nồi hơi không phải vì điều kiện vận hành bình thường mà vì độ bền cao trước sự gián đoạn hóa học của nước. Thành mỏng hơn có thể phù hợp cho các cơ sở có khả năng giám sát và kiểm soát xử lý nước tốt. Bức tường dày hơn nên được coi là biện pháp bảo vệ chống lại sự xáo trộn cho các cơ sở có chất lượng nước cấp thay đổi, rò rỉ bình ngưng thường xuyên hoặc lực lượng lao động xử lý hóa chất hạn chế.

Kiểm soát chế độ sôi và chênh lệch độ dày tới hạn

Lý do kỹ thuật độc đáo nhất cho sự khác biệt giữa 1,2 mm và 2,0 mm là ở sự tương tác của từng độ dày với chế độ sôi trên bề mặt vỏ bọc. Ở nhiệt độ 150 độ và áp suất 6 bar, nhiệt độ bão hòa của nước là 150 độ. Vỏ bọc lò sưởi phải cao hơn nhiệt độ khối để truyền nhiệt, do đó nhiệt độ bề mặt thường là 160-180 độ tùy thuộc vào mật độ watt và điều kiện dòng chảy. Nhiệt độ như vậy gây ra sự sôi hạt nhân. Hiện tượng thứ hai, sôi mầm, xảy ra khi bọt khí tạo mầm từ các vị trí tạo mầm trên bề mặt vỏ, phát triển và tách ra, đồng thời truyền nhiệt rất hiệu quả. Nhưng nếu dòng nhiệt quá lớn hoặc nhiệt độ bề mặt cao hơn một giá trị nhất định, thì quá trình sôi mầm sẽ chuyển sang sôi màng trong đó một lớp hơi liên tục cách nhiệt vỏ bọc và dẫn đến nhiệt độ tăng nhanh. Độ dày của tường ảnh hưởng đến nhiệt độ bề mặt ở mật độ watt nhất định. Đối với mật độ watt nhất định là 12 W/cm 2 trên bề mặt vỏ bọc trong nước 150 độ, độ dày thành 1,2 mm sẽ có nhiệt độ bề mặt khoảng 165-170 độ, nằm trong chế độ sôi mầm. Ở cùng mật độ watt, một bức tường 2,0 mm có khả năng chịu nhiệt tăng sẽ đẩy nhiệt độ bề mặt lên 180-185 độ. Giá trị này gần với dòng nhiệt tới hạn của nước ở áp suất và nhiệt độ này. Nếu bạn đang ở gần quá trình chuyển đổi sôi màng, bạn có nguy cơ bị chênh lệch nhiệt độ nhanh chóng nếu lưu lượng giảm hoặc mật độ watt tăng. Vì vậy, cơ sở kỹ thuật cho vách 1,2 mm là hiệu suất nhiệt tốt hơn và khả năng chống sôi màng cao hơn. Thành mỏng hơn duy trì nhiệt độ bề mặt thấp hơn, cho phép mật độ watt lớn hơn hoặc là lớp đệm chống lại sự nhiễu loạn trong quá trình.

Tính nhạy cảm của nước cô đặc nồi hơi đối với hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất

Nứt do ăn mòn ứng suất ăn da (CSCC) là một cơ chế hư hỏng được công nhận đối với thép không gỉ austenit trong điều kiện nước nồi hơi, nơi có nồng độ xút cục bộ dưới cặn lắng hoặc ở đường nước. Tính nhạy cảm với CSCC tăng theo nhiệt độ và nồng độ natri hydroxit. Ứng suất ngưỡng đối với CSCC của thép không gỉ 316 là khoảng 150-200 MPa ở 150 độ trong dung dịch xút loãng nhưng giảm nhanh khi nhiệt độ tăng. Có hai nguồn gây ra ứng suất kéo dư trong vỏ bọc gia nhiệt: ứng suất áp suất bên trong (được trình bày ở trên là tối thiểu) và ứng suất dư sinh ra do kéo và uốn ống. Ứng suất vòng dư trong ống thép không gỉ 316 kéo thường là 50-150 MPa tùy thuộc vào mức độ gia công nguội và trạng thái ủ của ống. Tường 1,2 mm mỏng hơn, do đó có ứng suất dư sau khi vẽ thấp hơn tường 2,0 mm. Điều này là do cần ít công việc nguội hơn để đạt được chiều cuối cùng. Kinh nghiệm hiện trường chỉ ra rằng các lò sưởi có thành mỏng hơn ít có khả năng bắt đầu CSCC do ứng suất dư thấp hơn và nhiệt độ bề mặt thấp hơn làm giảm tốc độ tập trung xút. Cơ sở kỹ thuật cho thành 1,2 mm là độ nhạy cảm nội tại thấp hơn đối với hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất trong cùng hoàn cảnh hóa học nước.

Phản ứng nhiệt và điều khiển hệ thống

Máy sưởi ngâm nước nồi hơi thường được sử dụng trong các hệ thống yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chính xác. Khối lượng nhiệt của vỏ ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng tín hiệu điều khiển. Thành 2,0 mm có lượng kim loại trên mỗi đơn vị chiều dài nhiều hơn khoảng 67% so với thành 1,2 mm (đối với cùng đường kính ngoài, tức là ống 12 mm,-diện tích mặt cắt ngang của vỏ bọc tăng từ 40,7 mm² lên 62,8 mm²). Kim loại bổ sung này có chức năng như một tụ điện nhiệt, giúp làm chậm tốc độ thay đổi nhiệt độ vỏ bọc khi sử dụng hoặc ngắt điện. Đối với một hệ thống có chu kỳ bật và tắt nhiều, thành dày hơn sẽ dẫn đến sự dao động nhiệt độ lớn hơn và thời gian lắng lâu hơn. Quan trọng hơn, do độ trễ nhiệt giữa dây điện trở và bề mặt vỏ bọc nên hệ thống điều khiển phản ứng với cặp nhiệt điện đặt trên vỏ bọc sẽ phản ứng chậm với những thay đổi về nhiệt độ của dây. Hằng số thời gian để nhiệt truyền từ dây ra bề mặt bên ngoài đối với bức tường 1,2 mm là khoảng 0,5-1,0 giây. Trong bức tường 2,0 mm, hằng số thời gian này là 1,5-3,0 giây. Sự khác biệt này là nhỏ đối với hầu hết các bộ điều khiển nồi hơi, nhưng đối với các ứng dụng hoặc hệ thống có độ chính xác cao với tải thay đổi nhanh, thành mỏng hơn giúp cải thiện khả năng kiểm soát. Cơ sở lý luận về mặt kỹ thuật cho thành 1,2 mm trong các ứng dụng này là khả năng đáp ứng động tốt hơn và kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ hơn.

Bảng tóm tắt giải thích kỹ thuật

Cân nhắc Vỏ bọc 1,2mm Vỏ bọc 2,0mm
Hệ số an toàn ngăn chặn áp suất ở mức 6 bar 70 (xuất sắc) 140 (thiết kế quá mức)
Mức cho phép ăn mòn khi vận hành bình thường 0,6 mm (80+ năm) 1,4 mm (180+ năm)
Thời gian tồn tại khó chịu (Tốc độ ăn mòn 0,2 mm/năm)3-4 năm 6-8 năm
Nhiệt độ bề mặt ở 12 W/cm2 165-170 độ 180-185 độ
Biên chuyển tiếp sang màng sôiLớn Nhỏ
Ứng suất dư trong sản xuất Thấp hơn (50–100 MPa)Tăng (80-150 MPa)
Rủi ro khi bắt đầu CSCCLowerHigher
Hằng số thời gian phản ứng nhiệt 0,5 đến 1,0 giây 1,5 đến 3,0 giây
Ứng dụng bình thường hợp lý Hệ thống được kiểm soát tốt Mật độ watt cao Điều khiển chính xác Thiết kế thận trọng Hệ thống dễ bị khó chịu-Nước cấp thay đổi
Kết luận: Sự biện minh kỹ thuật cho mọi độ dày

Đây không phải là trường hợp cái này tốt hơn cái kia. Ví dụ, lò sưởi ngâm nước nồi hơi bằng thép không gỉ 316 ở 150 độ và 6 bar: độ dày vỏ 1,2 mm hoặc 2,0 mm. Thành 1,2 mm là hợp lý khi thành phần hóa học của nước được kiểm soát tốt và duy trì liên tục, khi cần hoạt động ở mật độ watt cao và khi thời gian phản ứng nhiệt là quan trọng. Nó dẫn đến nhiệt độ bề mặt thấp hơn, khả năng chống sôi màng lớn hơn, ứng suất dư ít hơn và ít bị nứt ăn mòn do ứng suất hơn. Một bức tường dày 2,0 mm được bảo đảm ở những nơi có thể xảy ra hiện tượng xáo trộn hóa học của nước, cần có thời gian tồn tại lâu hơn và ở những nơi mà triết lý thiết kế ưu tiên cho phép ăn mòn hơn hiệu suất nhiệt. Điều này mang lại nguồn dự trữ kim loại lớn hơn cho cuộc tấn công cục bộ nhưng phải trả giá bằng nhiệt độ bề mặt cao hơn và có thể có rủi ro CSCC cao hơn. Đối với hầu hết các hệ thống nồi hơi hiện nay, nơi việc xử lý hóa học được tự động hóa và giám sát liên tục, lý giải kỹ thuật nằm trong phạm vi 1,2–1,5 mm. Thành 2,0 mm là sự lựa chọn thận trọng hợp lý đối với những cây đã già, những cây có thành phần chất lượng nước dao động hoặc những trường hợp mà bộ sưởi không dễ dàng kiểm tra và thay đổi. Trong những trường hợp này, kỹ sư nên biện minh cho sự lựa chọn dựa trên khả năng quản lý hóa học nước, tần suất khó chịu dự kiến ​​và nhu cầu mật độ watt chứ không phải dựa trên quan điểm sai lầm rằng dày hơn luôn an toàn hơn trong dịch vụ nước có áp suất ở nhiệt độ cao.