Koja je provjerena debljina omotača za 316 protočnih grijača od nehrđajućeg čelika u 50% propilen glikola sa 2000 ppm hlorida na 90 stepeni i u uvjetima niskog protoka

Osnovni kompromis-u inhibiciji glikola sa kontaminacijom hloridima

Propilenglikol (PG) je tekućina za prijenos topline koja se bira u preradi hrane, farmaceutskoj proizvodnji i pivarstvu gdje je toksičnost etilen glikola neprihvatljiva. 50% otopina PG u vodi daje dobru zaštitu od smrzavanja do oko -35 C i također djeluje kao inhibitor korozije kada je pravilno pripremljena. Međutim, u industrijskim PG krugovima hloridi imaju tendenciju da uđu u krug iz brojnih izvora kao što su zaostala sredstva za čišćenje, infiltracija vode rashladnog tornja kroz izmjenjivače topline ili korištenje obične (neomekšane) vode za dopunu. PG gubi svoju zaštitu od korozije na 2000 ppm nivoa hlorida, što je nivo koji se obično primećuje u loše održavanim sistemima ili sistemima sa curenjem morske vode. Pri radnoj temperaturi od 90 stepeni i okolnostima niskog protoka koje favorizuju stagnaciju graničnog sloja, nerđajući čelik 316 je izložen značajnom riziku od korozije udubljenja i pukotina. U ovoj primjeni, debljina omotača nije jednostavan proračun korozije, već vježba verifikacije koja pokazuje da odabrani zid može izdržati kombinovani napad klorida, povišenu temperaturu i smanjen prijenos topline zbog niskog protoka.

Mehanizam pojave rupa izazvanih hloridom u rastvorima propilen glikola

2000 ppm hlorida u 50% rastvoru propilen glikola na 90 stepeni je agresivno okruženje za pasivni film na 316 nerđajućem čeliku. Sam propilen glikol slabo inhibira, ali njegov mehanizam inhibicije zavisi od adsorpcije molekula glikola na metalnu površinu. Na 90 stepeni adsorbovani sloj je manje efikasan zbog toplotnog kretanja. Hloridni joni su vrlo pokretni i sićušni i takmiče se za površinske lokacije i uzrokuju rupice na slabim mjestima kao što su sulfidne inkluzije ili ogrebotine na površini nakon probijanja pasivnog premaza. Kritična temperatura pittinga nerđajućeg čelika 316 u rastvoru hlorida od 2000 ppm je oko 50-60 stepeni samo u vodi. Prisustvo inhibitornog glikola podiže kritičnu temperaturu udubljenja u 50% propilen glikola za oko 10-15 stepeni na oko 65-75 stepeni. Radna temperatura je 90 stepeni i sistem tako radi iznad kritične temperature jame, tako da pitanje pokretanja jame nije "ako" već "kada". Kada se formira jama, brzina njenog rasta može se predvidjeti logaritamskim ili linearnim trendom ovisno o dostupnosti kisika i otpornosti otopine. Objavljeni rezultati za nerđajući čelik 316 u glikolu kontaminiranom hloridom na 90 stepeni otkrivaju stope rasta udubljenja od 0,2 – 0,6 mm/godišnje za aerirane uslove. Rov koji se širi brzinom od 0,4 mm/godišnje probio bi zid od 1,5 mm za 3,75 godina za grijač s očekivanim radnim vremenom od 5000 sati godišnje (oko 60 % rada). Zid od 2,0 mm bi to produžio na 5 godina. Međutim, ovi proračuni su zasnovani na jednoj jami, kada je u stvari pokrenut veći broj jama i kvar se kontrolira najdubljim.

Utjecaj uslova niskog protoka na koroziju i njeno pojačanje

Za ovu primjenu, uvjeti niskog protoka su posebno štetni jer dozvoljavaju da granični sloj na površini omotača postane prezasićen produktima korozije i hloridnim jonima. Konvekcija hlorida od površine je jako ograničena za brzine protoka manje od 0,5 m/sec. Sadržaj klorida na površini metala može biti pet ili deset puta veći u masi i tako uvelike smanjuje potencijal pittinga. Nizak protok takođe pogoduje delimičnom ključanju ili vrenju filma na površini omotača kada je toplotni tok jak. Formiranje i kolaps mjehurića mehanički degradiraju pasivni sloj i stvaraju lokalno koncentrirane otopine klorida u tankom tekućem filmu ispod mjehurića. Ovaj mehanizam dovodi do karakterističnog obrasca "pitting ring" koji se uočava oko mjesta nukleacije mjehurića na neispravnim grijačima. Na primjer, za protočni grijač napravljen od nehrđajućeg čelika 316 koji se koristi u zapreminskoj temperaturi od 90 stepeni i gustoći u vatima omotača od 7-8 W/cm2, temperatura površine graničnog sloja može biti viša od 110-120 stepeni čak i pri uslovima niskog protoka. Na ovim temperaturama kritični prag pittinga je znatno prekoračen i brzina širenja jami može biti 1-2 mm/godišnje. Provjerena debljina stoga mora uzeti u obzir ne samo koncentraciju i temperaturu klorida u rasutom stanju, već i lokalizirani utjecaj malog protoka na pojačanje. Debljina koja se čini dovoljnom u velikim postavkama mogla bi se pokvariti u roku od nekoliko mjeseci kada je protok ispod 0,3 m/s.

Termičke hidraulične interakcije ograničavaju maksimalnu debljinu

Međusobno djelovanje debljine stijenke, prijenosa topline i malog protoka nameće daljnje ograničenje na maksimalnu praktičnu debljinu omotača. Sa povećanjem debljine stijenke raste toplinski otpor što povećava temperaturu površine plašta za isti unos električne energije. Pri malom protoku, koeficijent konvektivnog prijenosa topline je već smanjen-tipično 300–600 W/m²·K pri 0,3 m/s u poređenju sa 1500–2500 W/m²·K pri 2 m/s. Deblji zid povećava otpor provodljivosti u lošem konvektivnom scenariju. Povećanje debljine zida cijevi vanjskog prečnika 12 mm u 50% PG, na 90 stepeni, i sa brzinom protoka od 0,3 m/s sa 1,2 mm na 2,0 mm povećava temperaturu omotača sa ~125 stepeni na 155 stepeni pri gustoći vata od 7 W/cm2. Povećanje temperature za 30 stepeni dovodi do 3 do 5 puta povećanja u stopi hloridnog pittinga nakon Arrheniusovog ponašanja. Deblji zid, za koji se pretpostavlja da je otporan na koroziju, umjesto toga čini napad pitinga toliko brzim da neto vijek trajanja može biti kraći nego kod tanjeg, hladnijeg zida. Ova samo{26}}porazišna petlja povratnih informacija znači da u sistemima sa niskim-protokom, visokim-kloridnim glikolom postoji optimalan raspon debljine iznad kojeg više metala smanjuje vijek trajanja, a ne produžava ga. Provjereni terenski podaci za cirkulacijske grijače u pivarskoj i prehrambenoj industriji pokazuju da je optimalno između 1,4 i 1,8 mm za većinu 50% PG sistema sa kontaminacijom hloridima.

Potvrđene preporuke za debljinu za različite režime protoka

Tamo gdje se može osigurati da brzina protoka uvijek bude veća od 1,0 m/s, debljina od 1,5-1,7 mm daje pouzdanu uslugu pet godina u prisustvu 2000 ppm hlorida. Umjerena debljina održava temperaturu omotača ispod 120 stepeni pri normalnoj gustoći u vatima, a turbulentni tok sprječava koncentraciju klorida na površini. Minimalna provjerena debljina postaje 1,8-2,0 mm za sisteme sa povremenim protokom ili gdje protok može postati manji od 0,5 m/s u nekim operativnim fazama. Ovaj dodatni metal nije toliko za zaštitu od korozije koliko za izdržavanje brzog pitinga koji se javlja tokom događaja sa malim protokom. Međutim, za zid od 2,0 mm, gustina u vatima mora biti ograničena na 5-6 W/cm2 da bi se temperatura omotača održala ispod 135 stepeni pri niskom protoku. U slučaju da nije moguće smanjiti gustinu u vatima zbog ograničenja prostora ili kapaciteta grijanja, debljina se mora ograničiti na 1,5-1,6 mm kako bi se spriječilo termičko ubrzanje korozije, a vlasnik sistema mora prihvatiti skraćeni vijek trajanja od tri do četiri godine. 316 nehrđajući se ne preporučuje za sisteme u kojima protok može biti bez obzira na stagnaciju toplote u potpunosti. U stagnirajućim uvjetima, lokalizirano ključanje je neizbježno, a visoka površinska temperatura, sadržaj klorida i mehaničko djelovanje mjehurića će proći kroz svaku praktičnu debljinu za jednu do dvije godine. U takvim okolnostima treba specificirati titanijumski omotač ili grijač Incoloy 825.

Provjera ispitivanjem korozije i terenskim podacima

Tri izvora dokaza koji podržavaju gore navedene preporuke za debljinu su: dubina udubljenja od 0,2–0,3 mm/godišnje uočena je u testovima uz mešanje (visok protok) i 0,5–0,8 mm/godišnje u testovima bez mešanja (nizak protok) tokom laboratorijskog ispitivanja uranjanja 316 nerđajućeg čelika sa kuponima nerđajućeg čelika na lpp20% na lpp20% kupona u lpp20% stepen . Drugo, terenske inspekcije cirkulacionih grijača koji su stavljeni iz upotrebe nakon tri do pet godina u petljama glikola u prehrambenim postrojenjima gdje su zabilježeni nivoi klorida na 1500-2500 ppm pokazuju da jedinice sa 1,5-1,6 mm stijenki i turbulentnim protokom imaju maksimalnu dubinu jame od 0,4-0,7 mm ostavljajući dovoljno zaostalog zida. Jedinice sa zidovima od 2,0-2,2 mm i slabim protokom imaju dubinu jame od 0,8-1,2 mm ne zbog manje otpornog materijala, već zato što je povećana debljina stijenke povećala temperaturu površine i ubrzala napad. Treće, elektrohemijska polarizaciona skeniranja nerđajućeg čelika 316 u PG kontaminiranom hloridom na 80-100 stepeni pokazuju da potencijal pitinga naglo pada iznad 100 stepeni, potvrđujući da je održavanje temperature omotača ispod ovog praga važnije od dodavanja debljine.

Zaključak: Verifikovani raspon debljine za pouzdanu uslugu

Validirani raspon za određivanje debljine omotača za protočne grijače od nehrđajućeg čelika 316 u 50% propilen glikola sa 2000 ppm hlorida na 90 stepeni u uslovima niskog protoka je potreban da bi se uravnotežila otpornost na točenje i toplotno ubrzanje. Za sisteme dobrog dizajna, sa brzinama protoka od 1,0 m/s i gustinom u vatima od 6-8 W/cm2, debljina od 1,5-1,7 mm daje validirani 5-godišnji vijek trajanja. Za sisteme sa normalnim radnim protokom ispod 0,5 m/s, debljinu treba povećati na 1,8-2,0 mm, ali samo ako se gustina u vatima istovremeno smanji na 5-6 W/cm². Nijedan sistem u kojem može doći do stagnacije protoka nije prihvatljiv za nerđajući čelik 316, bez obzira na njegovu debljinu. Inženjeri koji specificiraju grijač za ovo teško okruženje moraju specificirati ne samo debljinu zida, već i najnižu dozvoljenu brzinu protoka, maksimalnu gustinu u vatima i metodu verifikacije (testiranje kuponom ili elektrohemijsko praćenje) koju treba pratiti tokom servisa. Ovo mijenja osnovne dimenzionalne zahtjeve u validiranu tehniku ​​upravljanja korozijom koja direktno povezuje debljinu stijenke sa otpornošću na udubljenje i termičkim performansama u glikol sistemima kontaminiranim hloridima.