Độ dày vỏ bọc đã được xác minh đối với Bộ gia nhiệt dòng chảy bằng thép không gỉ 316 trong 50% Propylene Glycol với 2000 ppm Clorua ở 90 độ và Điều kiện dòng chảy thấp

Sự đánh đổi cơ bản{0}}trong việc ức chế Glycol với ô nhiễm clorua

Propylene glycol (PG) là chất lỏng truyền nhiệt được lựa chọn trong các ứng dụng chế biến thực phẩm, sản xuất dược phẩm và sản xuất bia trong đó độc tính của ethylene glycol là không thể chấp nhận được. Dung dịch PG 50% trong nước có khả năng chống đóng băng tốt ở khoảng -35 C và cũng có chức năng như chất ức chế ăn mòn khi được chuẩn bị đúng cách. Tuy nhiên, trong mạch PG công nghiệp, clorua có xu hướng xâm nhập vào mạch từ một số nguồn như chất tẩy rửa còn sót lại, sự xâm nhập của nước tháp giải nhiệt thông qua bộ trao đổi nhiệt hoặc sử dụng nước bổ sung thông thường (không được làm mềm). PG mất khả năng chống ăn mòn ở mức clorua 2000 ppm, đây là mức thường thấy trong các hệ thống được bảo trì kém hoặc hệ thống có rò rỉ nước biển. Ở nhiệt độ hoạt động 90 độ và các điều kiện dòng chảy thấp tạo điều kiện cho sự ứ đọng của lớp ranh giới, thép không gỉ 316 có nguy cơ bị ăn mòn rỗ và kẽ hở đáng kể. Trong ứng dụng này, độ dày vỏ bọc không phải là phép tính cho phép ăn mòn đơn giản mà là một bài tập xác minh để chứng minh rằng bức tường được chọn có thể chịu được sự tấn công kết hợp của clorua, nhiệt độ tăng cao và giảm truyền nhiệt do dòng chảy thấp.

Cơ chế tạo vết rỗ do clorua trong dung dịch propylene glycol

2000 ppm clorua trong dung dịch propylene glycol 50% ở 90 độ là môi trường khắc nghiệt đối với màng thụ động trên thép không gỉ 316. Bản thân propylene glycol có khả năng ức chế yếu tuy nhiên cơ chế ức chế của nó phụ thuộc vào sự hấp phụ của phân tử glycol lên bề mặt kim loại. Ở 90 độ, lớp hấp phụ kém hiệu quả hơn do chuyển động nhiệt. Các ion clorua có tính di động cao và rất nhỏ, cạnh tranh vị trí trên bề mặt và gây ra vết rỗ tại các điểm yếu như tạp chất sunfua hoặc vết trầy xước trên bề mặt sau khi phá vỡ lớp phủ thụ động. Nhiệt độ rỗ tới hạn của thép không gỉ 316 trong dung dịch clorua 2000 ppm là khoảng 50-60 độ chỉ trong nước. Sự hiện diện của chất ức chế glycol làm tăng nhiệt độ rỗ tới hạn trong propylen glycol 50% khoảng 10–15 độ đến khoảng 65–75 độ. Nhiệt độ vận hành là 90 độ và do đó hệ thống được vận hành trên nhiệt độ tới hạn của hố, do đó câu hỏi về việc bắt đầu hố không phải là "nếu" mà là "khi nào". Khi hố được hình thành, tốc độ tăng trưởng của nó có thể được dự đoán bằng xu hướng logarit hoặc tuyến tính tùy thuộc vào lượng oxy sẵn có và điện trở suất của dung dịch. Các kết quả được công bố đối với thép không gỉ 316 trong glycol bị nhiễm clorua ở 90 độ cho thấy tốc độ phát triển của vết rỗ là 0,2 – 0,6 mm/năm trong điều kiện sục khí. Một rãnh mở rộng với tốc độ 0,4 mm/năm sẽ xuyên qua bức tường 1,5 mm trong 3,75 năm đối với lò sưởi có thời gian hoạt động dự kiến ​​là 5000 giờ mỗi năm (khoảng 60 % công suất). Một bức tường 2,0 mm sẽ kéo dài thời gian đó lên 5 năm. Tuy nhiên, những tính toán này chỉ dựa trên một hố duy nhất, trong khi trên thực tế, một số hố được bắt đầu và sự cố được kiểm soát bởi hố sâu nhất.

Ảnh hưởng của điều kiện dòng chảy thấp đến sự ăn mòn và sự khuếch đại của nó

Đối với ứng dụng này, điều kiện dòng chảy thấp đặc biệt bất lợi vì chúng cho phép lớp biên ở bề mặt vỏ bọc trở nên quá bão hòa với các sản phẩm ăn mòn và ion clorua. Sự đối lưu của clorua ra khỏi bề mặt bị hạn chế rất nhiều đối với vận tốc dòng chảy nhỏ hơn 0,5 m/giây. Hàm lượng clorua ở bề mặt kim loại có thể gấp năm hoặc mười lần so với khối lượng lớn và do đó làm giảm đáng kể khả năng bị rỗ. Dòng chảy thấp cũng tạo điều kiện cho sự sôi một phần hoặc sôi màng ở bề mặt vỏ bọc khi dòng nhiệt mạnh. Sự hình thành và sụp đổ của bong bóng làm suy giảm cơ học lớp thụ động và tạo ra dung dịch clorua đậm đặc cục bộ trong màng chất lỏng mỏng bên dưới bong bóng. Cơ chế này dẫn đến kiểu "vòng rỗ" đặc trưng được quan sát thấy xung quanh các vị trí tạo mầm bong bóng trên các lò sưởi bị hỏng. Ví dụ, đối với bộ gia nhiệt dòng chảy làm bằng thép không gỉ 316 được sử dụng ở nhiệt độ khối 90 độ và mật độ watt vỏ là 7-8 W/cm2, nhiệt độ bề mặt lớp biên có thể cao hơn 110-120 độ ngay cả ở điều kiện dòng chảy thấp. Ở những nhiệt độ này, ngưỡng rỗ tới hạn bị vượt quá rất nhiều và tốc độ lan truyền của vết rỗ có thể là 1-2 mm/năm. Do đó, độ dày được xác minh phải tính đến không chỉ nồng độ và nhiệt độ clorua lớn mà còn cả tác động khuếch đại cục bộ của dòng chảy kiệt. Độ dày có vẻ đủ trong cài đặt số lượng lớn có thể bị hỏng trong vòng vài tháng khi dòng chảy dưới 0,3 m/s.

Tương tác nhiệt thủy lực hạn chế độ dày tối đa

Sự tương tác giữa độ dày thành, truyền nhiệt và dòng chảy thấp đặt ra giới hạn hơn nữa về độ dày vỏ bọc tối đa có thể thực hiện được. Khi độ dày thành tăng, điện trở nhiệt tăng làm tăng nhiệt độ bề mặt vỏ bọc đối với cùng một nguồn điện đầu vào. Ở lưu lượng thấp, hệ số truyền nhiệt đối lưu đã giảm-thường là 300–600 W/m²·K ở tốc độ 0,3 m/s so với 1500–2500 W/m²·K ở tốc độ 2 m/s. Một bức tường dày hơn làm tăng điện trở dẫn điện trong tình huống đối lưu xấu. Việc tăng độ dày thành của ống có đường kính ngoài 12 mm ở 50 % PG, ở góc 90 độ và với tốc độ dòng chảy 0,3 m/s từ 1,2 mm lên 2,0 mm sẽ làm tăng nhiệt độ vỏ bọc từ ∼125 độ lên 155 độ ở mật độ watt là 7 W/cm2. Nhiệt độ tăng 30 độ dẫn đến tỷ lệ rỗ clorua tăng gấp 3 đến 5 lần sau hành vi của Arrhenius. Thay vào đó, bức tường dày hơn, được cho là có khả năng hạn chế ăn mòn, lại khiến cho quá trình rỗ xảy ra nhanh đến mức tuổi thọ sử dụng thực tế có thể ngắn hơn so với bức tường mỏng hơn, mát hơn. Vòng phản hồi tự{26}}tự đánh bại này có nghĩa là trong các hệ thống clorua glycol-dòng chảy thấp,{28}}cao{28}}có một phạm vi độ dày tối ưu mà vượt quá giới hạn đó thì kim loại sẽ làm giảm tuổi thọ hơn là kéo dài tuổi thọ. Dữ liệu hiện trường đã được xác minh cho cả máy sưởi tuần hoàn của nhà máy bia và công nghiệp thực phẩm cho thấy mức tối ưu nằm trong khoảng từ 1,4 đến 1,8 mm đối với hầu hết các hệ thống PG 50 % bị nhiễm clorua.

Khuyến nghị về độ dày đã được xác nhận cho các chế độ dòng chảy khác nhau

Khi tốc độ dòng chảy có thể được đảm bảo luôn cao hơn 1,0 m/s, độ dày 1,5-1,7 mm mang lại khả năng hoạt động đáng tin cậy trong 5 năm khi có nồng độ clorua 2000 ppm. Độ dày vừa phải giữ nhiệt độ vỏ bọc dưới 120 độ ở mật độ watt bình thường và dòng chảy hỗn loạn ngăn cản nồng độ clorua trên bề mặt. Độ dày tối thiểu được xác minh là 1,8-2,0 mm đối với các hệ thống có dòng chảy không liên tục hoặc khi dòng chảy có thể nhỏ hơn 0,5 m/s trong một số giai đoạn vận hành. Kim loại bổ sung này không có tác dụng chống ăn mòn nhiều mà chỉ để chịu đựng hiện tượng rỗ nhanh xảy ra khi dòng chảy thấp. Tuy nhiên, đối với tường dày 2,0 mm, mật độ watt phải được giới hạn ở mức 5-6 W/cm2 để giữ nhiệt độ vỏ bọc dưới 135 độ ở lưu lượng thấp. Trong trường hợp không thể giảm mật độ watt do giới hạn về không gian hoặc công suất sưởi, độ dày phải được giới hạn ở 1,5–1,6 mm để ngăn chặn sự ăn mòn do nhiệt tăng lên và chủ sở hữu hệ thống phải chấp nhận tuổi thọ sử dụng rút ngắn từ ba đến bốn năm.{17}} thép không gỉ không được đề xuất cho các hệ thống mà dòng chảy có thể bị ứ đọng hoàn toàn (vận tốc bằng 0) trong các chu kỳ gia nhiệt, bất kể độ dày. Trong điều kiện trì trệ, hiện tượng sôi cục bộ là không thể tránh khỏi và nhiệt độ bề mặt cao, hàm lượng clorua và hoạt động bong bóng cơ học sẽ xuyên qua bất kỳ độ dày thực tế nào trong vòng một đến hai năm. Trong những trường hợp như vậy, nên chỉ định vỏ bọc titan hoặc lò sưởi Incoloy 825.

Xác minh thông qua thử nghiệm ăn mòn và dữ liệu hiện trường

Ba nguồn bằng chứng ủng hộ các khuyến nghị trên về độ dày là: Độ sâu rỗ 0,2–0,3 mm/năm được thấy trong các thử nghiệm khuấy (dòng chảy cao) và 0,5–0,8 mm/năm trong các thử nghiệm không khuấy trộn (dòng chảy thấp) trong quá trình thử nghiệm ngâm trong phòng thí nghiệm của 316 phiếu giảm giá thép không gỉ trong 50 % PG với 2000 ppm NaCl ở 90 độ. Thứ hai, việc kiểm tra hiện trường các máy sưởi tuần hoàn đã ngừng hoạt động sau ba đến năm năm trong vòng glycol của nhà máy thực phẩm nơi nồng độ clorua được báo cáo ở mức 1500-2500 ppm cho thấy rằng các thiết bị có thành 1,5-1,6 mm và dòng chảy hỗn loạn có độ sâu hố tối đa là 0,4-0,7 mm để lại đủ lượng tường dư. Các thiết bị có thành 2,0-2,2 mm và dòng chảy kém có độ sâu hố 0,8-1,2 mm không phải do vật liệu có khả năng chịu lực kém hơn mà do độ dày thành tăng lên đã tăng cường nhiệt độ bề mặt và đẩy nhanh quá trình tấn công. Thứ ba, quét phân cực điện hóa của thép không gỉ 316 trong PG nhiễm clorua ở 80–100 độ cho thấy khả năng tạo vết rỗ giảm mạnh trên 100 độ, xác nhận rằng việc giữ nhiệt độ vỏ bọc dưới ngưỡng này quan trọng hơn việc tăng thêm độ dày.

Kết luận: Phạm vi độ dày đã được xác minh cho dịch vụ đáng tin cậy

Cần có phạm vi được xác nhận để xác định độ dày vỏ bọc cho bộ gia nhiệt dòng chảy bằng thép không gỉ 316 trong 50% propylene glycol với 2000 ppm clorua ở 90 độ ở điều kiện dòng chảy thấp để cân bằng khả năng chống rỗ và gia tốc nhiệt. Đối với các hệ thống có thiết kế tốt, với vận tốc dòng chảy là 1,0 m/s và mật độ watt là 6{18}}8 W/cm2, độ dày 1,5-1,7 mm mang lại tuổi thọ sử dụng được xác nhận là 5 năm. Đối với các hệ thống có tốc độ dòng chảy hoạt động bình thường dưới 0,5 m/s, nên tăng độ dày lên 1,8-2,0 mm, nhưng chỉ khi mật độ watt đồng thời giảm xuống 5-6 W/cm². Không có hệ thống nào có thể xảy ra hiện tượng ứ đọng dòng chảy có thể chấp nhận được đối với thép không gỉ 316, bất kể độ dày của nó. Các kỹ sư chỉ định lò sưởi cho môi trường khó khăn này phải chỉ định không chỉ độ dày thành mà còn cả tốc độ dòng chảy thấp nhất cho phép, mật độ watt tối đa và phương pháp xác minh (kiểm tra phiếu giảm giá hoặc giám sát điện hóa) phải tuân theo trong quá trình sử dụng. Điều này thay đổi yêu cầu về kích thước cơ bản thành kỹ thuật quản lý ăn mòn đã được xác nhận, liên quan trực tiếp đến độ dày thành với khả năng chống rỗ và hiệu suất nhiệt trong hệ thống glycol bị nhiễm clorua.