Độ dày thành vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 tối đa cho phép đối với ứng dụng làm nóng bằng hơi nước áp suất thấp- ở 130 độ C có thu hồi nước ngưng là bao nhiêu?

Các kỹ sư quy trình chế tạo máy sưởi ngâm điện cho hệ thống hơi nước áp suất-thấp chẳng hạn như áo khoác hơi nước, buồng tạo ẩm và thiết bị khử trùng phải đối mặt với một loạt hạn chế đặc biệt liên quan đến sự tồn tại của nước ngưng tụ hồi lưu. Không giống như các ứng dụng sử dụng nước tinh khiết hoặc hơi khô, hệ thống thu hồi nước ngưng có hỗn hợp nước lỏng, oxy hòa tan và thường có một lượng axit carbonic từ carbon dioxide hòa tan. Môi trường có phần ăn mòn thép không gỉ 316, đặc biệt là ở bề mặt hơi-nước nơi gradient nồng độ oxy tạo ra sự ăn mòn cục bộ. Mức cho phép ăn mòn được xác định bởi độ dày thành của vỏ bọc 316 và quan trọng hơn là nhiệt độ bề mặt so với nhiệt độ bão hòa của hơi nước. Nếu nhiệt độ bề mặt vỏ bọc quá thấp sẽ tạo điều kiện hình thành lớp phủ ngưng tụ và ăn mòn, nhưng nếu nhiệt độ quá cao sẽ làm tăng cặn và ứng suất nhiệt. Bài viết này xác định độ dày thành tối đa được phép đối với 316 vỏ bọc trong dịch vụ thu hồi hơi nước ngưng tụ dựa trên tốc độ ăn mòn và tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt.

Cơ chế ăn mòn trong sự trở lại của hơi nước ngưng tụ
Áp suất bão hòa của hơi nước áp suất thấp ở 130 độ là khoảng 2,7 bar tuyệt đối. Khi hơi nước gặp bề mặt dưới nhiệt độ bão hòa, nó sẽ tạo ra chất ngưng tụ dưới dạng lớp phủ chất lỏng. Nước ngưng này sẽ loại bỏ oxy và carbon dioxide từ hơi nước và từ không khí rò rỉ-và tạo thành dung dịch axit vừa phải, có độ pH từ 4,5 đến 6.0. 316, thép không gỉ cho thấy trong môi trường này tốc độ ăn mòn nói chung là 0,02–0,08 mm/năm tùy thuộc vào hàm lượng oxy và tốc độ tái sinh nước ngưng. Quan trọng hơn, sự tấn công cục bộ{10}}sự ăn mòn rỗ và kẽ hở{11}}xảy ra ở đường nước nơi lớp vỏ xuyên qua lớp ngưng tụ. Sự hình thành các tế bào nồng độ oxy có thể dẫn đến tốc độ ăn mòn gần đường nước cao hơn từ hai đến năm lần so với tốc độ ngâm hoàn toàn. Đối với bộ gia nhiệt có tuổi thọ thiết kế là 5{14}}năm, cần có mức cho phép ăn mòn là 0,2–0,4 mm đối với sự ăn mòn chung + 0.3–0,6 mm là cần thiết đối với sự tấn công của đường nước. Vỏ bọc 1,0 mm sẽ không có đủ lề và sẽ thủng sau hai đến ba năm. Lớp vỏ 1,6 mm mang lại biên độ phù hợp cho thời gian sử dụng 5 năm. Tuy nhiên, thành dày hơn có thể dẫn đến nhiệt độ bề mặt vỏ bọc cao hơn ở mật độ watt nhất định, điều này có thể ảnh hưởng đến đặc tính ngưng tụ.

Ảnh hưởng của độ dày thành đến sự hình thành màng ngưng tụ và ăn mòn
Đối với bộ gia nhiệt làm việc bằng hơi nước ở nhiệt độ 130 độ, nhiệt độ bề mặt vỏ bọc phải cao hơn nhiệt độ bão hòa để tránh hình thành màng ngưng tụ. Điều kiện hơi khô không có nước lỏng trên vỏ bọc đạt được khi nhiệt độ bề mặt cao hơn mức bão hòa 5-10 độ. 316, tốc độ ăn mòn trong hơi khô ở mức khiêm tốn - < 0,01 mm mỗi năm. Tốc độ ăn mòn ở trên áp dụng cho màng ngưng tụ liên tục ở nhiệt độ bề mặt bão hòa hoặc thấp hơn. Nhiệt độ bề mặt vỏ bọc được tính bằng nhiệt độ hơi khối cộng với độ tăng nhiệt độ do dòng nhiệt xuyên qua thành vỏ bọc. Thành dày hơn sẽ tăng thêm điện trở dẫn điện và do đó làm tăng nhiệt độ bề mặt đối với mật độ watt nhất định. Một lớp vỏ bọc có thành dày thực sự có thể ngăn ngừa sự ăn mòn bằng cách giữ cho bề mặt khô ráo. Vỏ bọc có thành hẹp có thể chạy mát hơn và khuyến khích sự tấn công của nước ngưng. Hãy xem xét một lò sưởi ở công suất 8 W/cm2 với hơi nước 130 độ. Nhiệt độ bề mặt bên ngoài của vỏ bọc tường 316 dày 1,0 mm là khoảng 133 độ, chỉ cao hơn 3 độ so với độ bão hòa. Các trường hợp cận biên có thể tạo ra ngưng tụ không liên tục. Nhiệt độ bề mặt bên ngoài của lớp vỏ bọc thành 1,6mm cao hơn độ bão hòa khoảng 138 độ - 8, do đó có giới hạn an toàn cho hoạt động khô. Bức tường dày không phải là việc bổ sung vật liệu để giảm thiểu sự ăn mòn mà là sự thay đổi trạng thái bề mặt từ ướt sang khô. Đây là bài học quan trọng đối với việc thiết kế hệ thống hơi nước: thành lớn hơn có thể giúp chống ăn mòn tốt ngay cả trong tình huống ngưng tụ.

Độ dày thành khuyến nghị cho dịch vụ hơi nước thu hồi nước ngưng
Bảng sau liệt kê độ dày thành vỏ bọc có thể chấp nhận được đối với thiết bị gia nhiệt ngâm điện trong dịch vụ hơi nước áp suất thấp có hồi lưu nước ngưng. Các giá trị được tính toán cho hoạt động liên tục, chất lượng hơi điển hình cho hệ thống nồi hơi công nghiệp và tuổi thọ dự kiến ​​là 5 năm.

Nhiệt độ hơi nước Hoạt động Watt Mật độ khuyến nghị Tối thiểu 316 Độ dày thành khuyến nghị Tối đa 316 Độ dày thành nhiệt độ bề mặt vỏ ở độ dày tối đa Tỷ lệ ăn mòn dự kiến Chế độ hư hỏng vượt trội 110 độ (1,4 bar) 6 – 10 W/cm² 1,2 mm 2,0 mm 115 – 122 độ 0,05 – 0,10 mm/năm Ăn mòn màng ngưng tụ 120 độ (2,0 bar) 6 – 10 W/cm² 1,2 mm 2,0 mm 125 – 132 độ 0,03 – 0,08 mm/năm Ẩm/khô chuyển tiếp 130 độ (2,7 bar) 6 – 10 W/cm² 1,4 mm 2,5 mm 135 – 145 độ Dưới 0,02 mm/năm (khô) Nhiệt
Bất kỳ nhiệt độ nào, ngưng tụ không liên tục 4 – 8 W/cm² 1,6 mm 2,5 mm Thay đổi 0,08 – 0,15 mm/năm (chu kỳ ướt) Rỗ đường nước
Đối với nhiệt độ hơi vượt quá 140 độ, nhiệt độ bề mặt vỏ bọc có thể vượt quá 160 độ ở thành dày, điều này có thể tạo ra sự sôi cục bộ và phát triển cặn nếu có các hạt hòa tan trong nước. Trong những trường hợp này, điều mong muốn là đạt được độ dày thành cấp thấp-trong phạm vi đã chỉ định. Đối với nhiệt độ hơi dưới 120 độ, rất khó thiết lập các điều kiện vỏ bọc khô với bất kỳ độ dày thành thực tế nào vì nhiệt độ bão hòa thấp và mức tăng nhiệt độ do dòng nhiệt bị hạn chế. Trong dịch vụ hơi nước ở nhiệt độ-thấp, các kỹ sư phải chấp nhận rằng sẽ có một màng nước ngưng tụ và do đó chỉ định độ dày thành trên cơ sở cho phép ăn mòn thay vì vận hành khô.

Sửa đổi thiết kế để đạt được khả năng vận hành vỏ khô với tường mỏng
Nếu cần có-vỏ bọc 316 có thành mỏng dưới 1,2 mm trong dịch vụ hơi nước (thường để đáp ứng nhiệt nhanh trong hệ thống áp suất thấp), thì ba thay đổi về thiết kế có thể dẫn đến vận hành khô mặc dù nhiệt độ tăng thấp hơn. Một là tăng cường mật độ watt. Việc tăng mật độ watt từ 5 W/cm2 lên 10 W/cm2 có thể làm tăng nhiệt độ bề mặt vỏ bọc lên khoảng 15–20 độ và có thể thay đổi hoạt động từ ướt sang khô. Sự đánh đổi{10}}là có nguy cơ quá nhiệt cục bộ cao hơn nếu dòng hơi nước bị dừng lại. Điều chỉnh thứ hai là chạy máy sưởi ở chế độ không liên tục ở nhiệt độ cao nhất. Một lò sưởi có chu kỳ từ 130 độ đến 180 độ sẽ dành phần lớn thời gian ở trên nhiệt độ bão hòa, chỉ tiếp xúc với nước ngưng trong thời gian ngắn trong quá trình khởi động. Nếu máy sưởi ở trạng thái khô trong vài phút, thiệt hại do ăn mòn trong quá trình khởi động sẽ được hạn chế. Thay đổi cuối cùng là lắp đặt một ống thoát nước ngưng tụ để ngăn nước lỏng hình thành xung quanh lò sưởi. Trong trường hợp không có chất ngưng tụ đọng lại, tốc độ ăn mòn giảm đáng kể ngay cả khi bề mặt ẩm bằng một lớp màng mỏng. Đối với hầu hết các hệ thống hơi nước công nghiệp, độ dày thành 1,6 mm là sự dung hòa tốt giữa khả năng chống ăn mòn, giới hạn vận hành khô và độ bền cơ học. Các kỹ sư phải cung cấp mức chênh lệch nhiệt độ bề mặt cần thiết, thường cao hơn mức bão hòa từ 5–10 độ và yêu cầu nhà sản xuất xác định sự kết hợp giữa độ dày thành và mật độ watt sẽ mang lại mức chênh lệch này. Nhà cung cấp không thể thực hiện ước tính này có thể không đánh giá cao nhu cầu đặc biệt của dịch vụ ngưng tụ hơi nước.