Zašto postotak dubine uranjanja grijača s prirubnicom od nehrđajućeg čelika 316 u otvorenim rezervoarima definira tačku kvara na sučelju zraka{1}}vode

Zona parne faze: Najkorozivnija i termički naglašenija lokacija na obloženom grijaču

Lokacija prijevremenog kvara 316 uranjajućih grijača s prirubnicom od nehrđajućeg čelika instaliranih u otvorenim ili ventiliranim rezervoarima javlja se na konstantan, predvidljiv način, u zoni sučelja zrak{1}}voda, koja je normalno 20-50 mm iznad i ispod srednjeg nivoa tekućine. Ova zona je podložna jedinstvenoj kombinaciji djelomičnog vlaženja, koncentracije otopljenih čvrstih tvari u isparavanju, termičkog ciklusa zbog povremenog izlaganja i povećane dostupnosti kisika. Svaki od njih u izolaciji ubrzava koroziju, a zajedno proizvode stope kvarova 5-10 ​​puta veće od potpuno uronjenih ili potpuno izloženih dijelova istog omotača. Dubina uranjanja %, koja je omjer dužine uronjenog omotača i ukupne zagrijane dužine, direktno kontrolira koliko je površine grijača aktivno u ovoj agresivnoj međufaznoj regiji. Ovaj rad se bavi termohemijskim principima koji kontrolišu napad na interfejse i predstavlja okvir specifikacije dubine koji povećava životni vek grejača za redove veličine.

Djelomično navlaženi mehanizam koncentracijske ćelije

U slučaju omotača od nehrđajućeg čelika 316 koji prelazi granicu zrak-voda, područje neposredno iznad nivoa tečnosti ostaje navlaženo tankim filmom isparavanja, a područje ispod je potpuno uronjeno. Ovaj raspored je standardna ćelija za diferencijalnu aeraciju ili koncentraciju. Potpuno uronjeni segment ima smanjenu koncentraciju kiseonika (oko 8-10 ppm na temperaturi okoline, opadajući sa temperaturom) i predstavlja anoda. Navlaženi film iznad kontakta, izložen ambijentalnom kiseoniku (21 % O₂), ima veću koncentraciju kiseonika i katoda je. Generirana galvanska struja prolazi kroz metal od uronjene anode do tankoslojne katode i uzrokuje otapanje metala na anodi, koja se normalno nalazi 10-30 mm ispod nivoa statičke tekućine. Samo iz ove diferencijalne ćelije stopa korozije je 0,2-0,5 mm godišnje u neutralnim rastvorima hlorida, što je dovoljno da se perforira 1,5 mm debljine zida za 3-7 godina. Ovaj uređaj radi samo za konstantan nivo tečnosti. Fluktuirajući nivoi, kao u serijskoj obradi ili rezervoarima sa različitim punjenjem, pogoršavaju napad cikličkim izlaganjem različitih delova omotača ćeliji za koncentraciju, šireći na taj način koroziju na širu zonu, ali smanjujući vreme do prvog prodiranja jer svaki deo doživljava ponovljene promene anodnih katodnih uslova.

Evaporativno obogaćivanje agresivnih vrsta na meniskusu

Koncentracija isparavanja je najrazorniji međufazni proces. Prilikom isparavanja vode iz tankog filma na omotaču iznad nivoa tečnosti, ne-neisparljive otopljene tvari, tj. hloridi, sulfati, joni tvrdoće i organske kiseline ostaju iza i akumuliraju se u blizini meniskusa. U kupatilima s tekućim oplatama, terenska mjerenja su pokazala da koncentracije klorida na međuprostoru zraka-voda iznose čak 50.000-100.000 ppm, dok je otopina za rasuti rezervoar samo 500-1000 ppm. Pri tako visokim koncentracijama, potencijal pitting nehrđajućeg čelika 316 je niži od potencijala otvorenog kruga, stoga spontano pitting počinje za dane ili sedmice, a ne za godine. Također, koncentrirana otopina snižava pH hidrolizom metalnih hlorida, stvarajući lokaliziranu kiselost do pH 2-3 na mjestu jame. Kombinacija visokog hlorida, niskog pH i povišene temperature (plašt na interfejsu normalno radi na 80-95 stepeni u rezervoarima za kipuću vodu) obezbeđuje korozivno okruženje koje je neprijateljskije od bilo koje velike industrijske tečnosti. Ostatak koji ostaje nakon isparavanja može se okarakterizirati kao bijela, zelena ili smeđa kora. To je rezervoar agresivnih jona koji nastavljaju da izazivaju koroziju čak i kada je rezervoar ispražnjen ili grejač isključen.

Termički ciklus i mehaničko naprezanje na granici nivoa tečnosti

Osim elektrohemijskih mehanizama, omotač 316 je također izložen visokom termičkom i mehaničkom naprezanju na granici zrak-voda. Uronjeni dio, nakon što se napaja grijačem, može efikasno prenijeti toplinu na tekućinu i ostaje relativno hladan (obično 10-30 stepeni temperature mase). Izloženo područje iznad tečnosti, međutim, hladi se uglavnom radijacijom i prirodnom konvekcijom u vazduh i tako se njena temperatura značajno povećava, često do 200-400 stepeni u zavisnosti od gustine snage i uslova okoline. Temperaturni gradijent duž kontakta može biti veći od 300 stepeni na 10-20 mm dužine omotača. Ovaj gradijent uzrokuje neusklađenost termičke ekspanzije: vrući dio se širi više od hladnog dijela, stvarajući tako vlačna naprezanja na granici koja može premašiti granicu tečenja nehrđajućeg čelika 316 tokom svakog ciklusa grijanja. Pucanje zbog termičkog zamora je rezultat ponovljenih ciklusa. Tipične pukotine su obodne i nastaju na vanjskoj površini omotača i kreću se prema unutra. Jednom kada pukotina prodre u zid, vruća korozivna tekućina unutar spremnika prodire u električni odjeljak grijača stvarajući trenutni kvar uzemljenja. U grijačima s fiksnim nivoom s tekućinama koje ne kruže, napon termičkog gradijenta je statičan, ali bez obzira na to doprinosi puzanju i korozijskom pucanju pod naponom tokom dugog trajanja.

Izračunavanje procenta sigurne dubine uranjanja za različite uslove rada

Dubina uranjanja % je definisana kao . 100  L potopljeno L ukupno zagrijano gdje je L ukupno zagrijano=L potopljeno + L izloženi omotač. Za grijače s prirubnicom od nehrđajućeg čelika 316 u radu na vodi, najbolja praksa u industriji je minimalna dubina uranjanja od 75% (tj. ne više od 25% zagrijane dužine je izloženo zraku na minimalnom nivou radne tekućine). Pri 75% potapanja, međufazna zona je mali dio ukupne dužine omotača, a navlaženi film iznad meniskusa je dovoljno tanak da spriječi prekomjernu koncentraciju isparavanja. Sa 50% uranjanja, polovina grijača je na ili blizu granice, a cijeli toplinski tok je koncentrisan u gornjoj polovini omotača, uvelike povećavajući tempo napada na sučelju. Veza između dubine uranjanja, masovne koncentracije klorida i projektovanog interfejsa{14}}ograničenog vijeka trajanja grijača prikazana je u tabeli ispod.

Minimalna dubina uranjanja (% zagrijane dužine) Koncentracija hlorida u masi (ppm) Očekivani vijek trajanja prije perforacije sučelja (godine) Način glavnog kvara Preporučena radnja Veća ili jednaka 85 Bilo koji 8-12 Minimalno sučelje, široko rasprostranjena korozija Najbolji vijek trajanja
75‑85 <500 5‑8 Meniscus pitting Standard industrial specification 
75‑85 500‑2000 3‑5 Zrnca koncentracije isparavanja Prihvatljivo sa polu-godišnjom inspekcijom (sa ili bez inspekcije)
60-75 <200 3-5 Thermal fatigue + pitting Marginal; consider automatic level control
60-75 200-1000 1-2 Brzo udubljenje meniskusa. Nije dizajnirano za kontinuirani rad
50‑60 6-18 mjeseci Bilo koja Kombinirana ćelija koncentracije + termički zamor Izbjegavati; premjestiti spremnik ili grijač<50Any<6 monthsSevere interface assault, early perforation.Not valid for any water services
Praktične modifikacije dizajna za ublažavanje napada na interfejs

Tamo gdje ograničenja procesa ne dozvoljavaju 75% minimalnog uranjanja, brojna tehnička prilagođavanja ublažavaju ozbiljnost napada na interfejs. Prvi je implementacija sistema kontrole nivoa koji održava nivo tečnosti u čvrstom pojasu (±25 mm) kako bi se sprečilo da interfejs pređe široku površinu omotača. Drugi je postavljanje bunara za umirivanje ili pregrade koji minimizira površinsku turbulenciju i djelovanje valova, čime se smanjuje debljina taloga isparavanja na izloženom omotaču. Treća i najkorisnija promjena je korištenje dužeg grijača sa nižom gustinom snage, koji raspoređuje istu snagu na širem vlažnom području i na taj način smanjuje temperaturu omotača na sučelju. Na primjer, zamjena grijača od 6 kW koji ima 600 mm grijane dužine (68 % potapanja na 410 mm dubine vode) grijačem od 9 kW s grijanom dužinom od 1200 mm (82 % uranjanja na dubini 985 mm, korištenjem dubljeg spremnika ili horizontalne montaže) pomiče sučelje iz zone ozbiljnog kvara u benignu regiju. U postojećim rezervoarima u kojima nije moguće dublje uranjanje,-poboljšanje niske cijene je izgradnja grijača sa zaštitnim omotačem ili zamjenjivim zaštitnim omotom na sučelju korištenjem legure otpornije na koroziju kao što je Inconel 625 ili titanijum za gornjih 150 mm.

Zaključak: Dubina uranjanja kao -parametar pouzdanosti o kojem se ne može pregovarati

Interfejs zraka{0}}vode na djelimično uronjenom grijaču od nehrđajućeg čelika 316 s prirubnicom više je od smetnji, to je lokacija na kojoj se kombinuju elektrohemijski, termički i mehanički procesi kvara kako bi se osigurao najkraći vijek trajanja na kompletnom grijaćem elementu. Pravilo dizajna koje najbolje produžava vijek trajanja grijača u otvorenim rezervoarima je održavanje minimalne dubine uranjanja od 75% zagrijane dužine na najnižem predviđenom nivou tečnosti. U bilo kojoj primjeni u kojoj procesni uvjeti zabranjuju ovu dubinu, inženjeri moraju ili prihvatiti značajno skraćeni vijek trajanja (12-24 mjeseca umjesto 5-10 godina) ili usvojiti kompenzacijske metode kao što su kontrola nivoa, smanjena gustina snage ili poboljšanja legure u regiji. Prilikom traženja ponuda za grijače s prirubnicom, kupci bi trebali navesti minimalne, normalne i maksimalne razine tekućine u odnosu na dužinu grijanog omotača i zahtijevati od dobavljača da potvrdi da predloženi dizajn ispunjava smjernice o uranjanju od 75% za namjeravanu hemiju fluida. Sistem koji je ovdje predstavljen pruža potrošačima mogućnost izbjegavanja najčešćih uzroka prijevremenog kvara grijača u otvorenim instalacijama rezervoara tako što korelira dubinu uranjanja sa očekivanim tipovima kvara.