Koliko stane-optimizirana debelina ovoja za grelnike rezervoarjev iz nerjavečega jekla 316 v 30-odstotni raztopini natrijevega hidroksida pri 50 stopinjah s pet{4}}letno življenjsko dobo

Osnovni kompromis-pri srednjetemperaturni jedki uporabi

30 % natrijevega hidroksida pri 50 stopinjah je tipična, čeprav pogosto napačno razlagana, uporaba za potopne grelnike iz nerjavečega jekla 316 na rezervoarjih za shranjevanje natrijevega hidroksida. Pri tej temperaturi in koncentraciji je nerjavno jeklo 316 na splošno odporno proti koroziji. Zaradi ustvarjanja stabilne zaščitne pasivne prevleke v koncentriranem jedkem okolju so enakomerne stopnje korozije zelo nizke (običajno 0,01–0,03 mm na leto). Samo na podlagi enotnega napada lahko 1,0 mm stena teoretično traja od 33 do 100 let. Resnične nevarnosti niso razširjena korozija, ampak dva lokalizirana pojava: razpoke zaradi jedke napetostne korozije na meji tekočin-hlapov in luknjičaste luknje zaradi kontaminacije s kloridom, vnesene med polnjenjem ali zaradi nečistega jedkega dovajanja. Stroškovno optimizirana debelina plašča za načrtovano življenjsko dobo petih let tako ni opredeljena z dodatkom proti koroziji v klasičnem smislu, ampak z minimalno debelino, ki preživi lokalne motnje, zagotovi mehansko robustnost za namestitev in čiščenje ter prepreči nepotrebne stroške materiala. Dejanska stroškovno{16}}optimizirana debelina je bila razvita v tej raziskavi na podlagi kompromisa-med stroški materiala in tveganjem-prilagojeno življenjsko dobo.

Pet{0}}letni dodatek za boj proti koroziji

Podatki o koroziji za nerjavno jeklo 316 v 30 % natrijevem hidroksidu pri 50 stopinjah, ki sta jih objavila NACE in ASTM International, kažejo enakomerno stopnjo korozije 0,01-0,03 mm/leto v zračnih pogojih in celo nižjo (0,005-0,015 mm/leto) v odzračenih pogojih, značilnih za shranjeno kavstiko, ki je porabila svoj raztopljenega kisika. Skupna enotna izguba kovine je 0,05-0,15 mm na pet let. Najmanjša debelina plašča iz nerjavečega jekla 316 za ohranitev tlačne celovitosti in mehanske trdnosti je približno 0,4–0,5 mm. Če k temu minimumu dodamo petletno dovoljeno korozijo, dobimo teoretično potrebno debelino 0,45–0,65 mm. Debeline, večje od 0,7 mm, ne povečajo dosledne odpornosti proti koroziji. Vse stene 1,2 mm, 1,5 mm in 2,0 mm, ki jih ponujajo proizvajalci grelnikov, precej presegajo ta minimum. S stališča čiste enakomerne korozije je najtanjši plašč, ki je na voljo na trgu (običajno 1,0–1,2 mm), več kot primeren za petletno življenjsko dobo.

Lokalizirano tveganje napada in zahteva za vznemirjeno maržo

The uniform corrosion is small but the localised attack due to chloride contamination or due to the creation of caustic concentration cells at the liquid-vapor interface demands greater metal reserve. Technical sodium hydroxide usually comprises 50-500 ppm chloride as a contaminant from the production process (membrane cell or diaphragm cell procedures). 316 stainless steel in 30% caustic with 200 ppm chlorides has a critical pitting temperature of >60 stopinj pri 50 stopinjah, zato luknjanja v tipičnih pogojih ni pričakovati. Lokalne koncentracije kloridov lahko nastanejo na površini ovoja med cikli izhlapevanja, vendar če se rezervoar segreje in nato pusti, da se ohladi, ali če se grelec ciklično vklaplja in izklaplja. V takšnih šokovnih pogojih so za kratek čas možne stopnje luknjanja do 0,1–0,3 mm/leto. Tudi samo en mesec nestalnih razmer bi lahko v petih letih povzročil globino jame 0,025-0,075 mm. Še pomembneje je, da je za pojav korozijskega razpokanja zaradi jedke napetosti na meji tekočin-pare potrebna kombinacija natezne napetosti, koncentracije jedke in povišane temperature. Tveganje za CSCC pri 50 stopinjah je majhno, a ne ničelno. Če se začne, je stopnja rasti zloma približno 0,05-0,2 mm/leto. Zlom, ki se širi s hitrostjo 0,1 mm/leto, bi v 12 letih prebil 1,2 mm debelo steno. Če bi bila stena debela 1,0 mm, bi se zlomila v 10 letih. Oba sta primerna za petletno življenjsko dobo. Toda 0,8 mm tanjša stena bi bila preluknjana v osmih letih, kar bi pustilo varnostno rezervo treh let." Zato mora stroškovno optimizirana debelina zagotavljati varnostno rezervo pred neodkritim lokaliziranim napadom. Izkušnje na terenu z objekti za shranjevanje jedkega soka kažejo, da bo minimalna debelina 1,0-1,2 mm zagotovila sprejemljivo petletno varnostno rezervo za večino instalacij. Možnost, da se razpoka ali jama v petih letih poveča do globine več kot 1,2 mm let je ob pravilni uporabi izredno nizka, tako da bo debelina, večja od 1,5 mm, povečala stroške brez sorazmernega zmanjšanja tveganja.

Mehanska trdnost za namestitev in čiščenje

Atmosferski ogljikov dioksid se absorbira in nastanejo kristali natrijevega karbonata, zato je treba rezervoarje za shranjevanje natrijevega hidroksida redno čistiti. Grelnike lahko med čiščenjem vzamete ven, z njimi rokujete in vstavite nazaj. Poškodujejo jih lahko tudi čistilni instrumenti ali zmrznjena jedka snov, ki se včasih tvori na stenah rezervoarjev. Zato je praktično zanimivo oceniti mehansko trdnost plašča. Steno debeline 1,2 mm je mogoče z blagim udarcem upogniti ali udrti. Stena debeline 1,5 mm je bistveno bolj toga. Poškodbe pri rokovanju so veliko bolj odporne na 2,0 mm steno. Toda stroški popravila ali zamenjave poškodovanega grelnika so pogosto veliko nižji od dodatnih stroškov debelejše stene za celotno floto grelnikov. Za en grelnik z močjo 3 kW je razlika v stroških materiala med plaščem 1,2 mm in 2,0 mm približno 15-25 % celotnega stroška grelnika. Če je verjetnost mehanskih poškodb v petih letih življenjske dobe manjša od 10 %, potem so predvideni stroški poškodb manjši od dodanih začetnih stroškov debelejše stene. V večini dobro upravljanih skladiščnih prostorov, kjer se z grelniki skrbno ravna, je stroškovno optimalna debelina za mehansko robustnost 1,2-1,5 mm. V obratih z grobim ravnanjem ali kjer so grelniki na nedostopnih mestih, je lahko strošek 1,8-2,0 mm upravičen.

Težave v zvezi s stroški energije in toplotno učinkovitostjo

Razlika v toplotni odpornosti po debelinah neposredno vpliva na porabo energije v petih letih. Za grelnik z zunanjim premerom 12 mm v 30 % NaOH pri 50 stopinjah je konvektivni koeficient prenosa toplote približno 600-1000 W/m^2K, odvisno od mešanja. Povečanje debeline stene z 1,2 mm na 2,0 mm povzroči dodatno toplotno upornost približno 0,004 m2K/W. Pri grelniku s površino plašča 0,1 m², ki deluje pri temperaturi okolja 50 stopinj 8000 ur na leto (neprekinjeno delovanje), je ta dodatna toplotna izguba približno 0,004-kratna temperaturna razlika in površina ali približno 2-3 % manj toplotne moči za enako vhodno električno energijo. V petih letih ta izguba učinkovitosti pomeni dodatnih 2000–3000 kWh porabe električne energije na 10 kW ogrevalne zmogljivosti. Pri ceni industrijske energije 0,08 USD na kWh znaša dodani strošek energije v petih letih 160–240 USD na 10 kW grelnik. Razlika v začetni ceni med 1,2 mm in 2,0 mm plaščem za 10 kW grelnik je običajno 50-100 USD. Tanjša stena tako upravičuje svoje nižje stroške materiala z izboljšano učinkovitostjo in tako predstavlja stroškovno optimizirano izbiro za neprekinjeno delovanje. Pri občasnih operacijah (2000 ur na leto uporabe grelnika) se razlika v stroških energije zmanjša na 40–60 USD za 5-letno obdobje, kar morda ne bo dovolj za potrditev argumenta o učinkovitosti, vendar še vedno daje prednost tanjši steni samo na podlagi stroškov materiala.

Tabela analize stroškovno optimizirane debeline

Faktor stroškov 1,2 mm Plašč 1,5 mm Plašč 2,0 milimetrov Plašč 2,5 mm Plašč Stroški materiala (v primerjavi z 1,2 mm) 1.00 1.10 1.17 1.31
Enakomerni dodatek proti koroziji (5 let) 0,05-0,15 mm 0,05-0,15 mm 0,05-0,15 mm 0,05-0,15 mm
Poškodovana meja preživetja (pitting/CSCC) 1,05-1,15 mm 1,35-1,45 mm 1,85-1,95 mm 2,35-2,45 mm
Kazen za energetsko učinkovitost (5 let, neprekinjeno) 0 % (izhodišče) 1-2 % 2-3 % 3-5 %
5-letna možnost pričakovane mehanske poškodbe stane $30-50 $20-40 $10-20 $5-15
Skupni 5-letni stroški (grelec+energija+škoda) za 10 kW $1000-1100 $1050-1180 $1100-1250 $1200-1400
Stroškovno optimizirano za delovanje 24/7 Odlično Zelo dobro Dokaj slabo
Optimizirano za občasno delovanje Najboljše Najboljše Sprejemljivo Slabo

Notwithstanding the preceding analysis, there are certain instances where a thicker wall will be the most cost effective solution. First, if the caustic is known to have high chloride levels (>500 ppm) in rezervoar deluje pri temperaturah, višjih od 60 stopinj, stena 1,8-2,0 mm zagotavlja potrebno toleranco proti koroziji, ki je stena 1,2 mm ne more zagotoviti. Začetni stroški debeline so več kot plačani s stroški prezgodnje okvare v 2 letih. Drugič, debelejša stena je odporna proti obrabi na pritrdilni prirobnici, ko je rezervoar podvržen ponavljajočim se toplotnim ciklom, zaradi česar se grelnik razširi in skrči ob odprtinah rezervoarja. Tretjič, če je grelec nameščen v rezervoarju, ki ga ni mogoče izprazniti za pregled ali popravilo brez večje prekinitve proizvodnje, stroški nenačrtovanih izpadov podpirajo konzervativno debelino 2,0 mm, tudi če je statistična verjetnost okvare minimalna. Četrtič, če kavstik vsebuje abrazivne trdne materiale, kot so kristali natrijevega karbonata, ki se odlagajo na grelniku, sta potrebni stopnja erozije in korozije 0,05–0,1 mm/leto in dodatna kovinska rezerva.

Zaključek: stroškovno{0}}optimizirana debelina pri rednem servisu

Za veliko večino 30-odstotnih rezervoarjev za shranjevanje natrijevega hidroksida pri 50 stopinjah s tipično vsebnostjo klorida pod 200 ppm in z razumnimi postopki rokovanja je stroškovno{3}}optimizirana debelina ovoja za pet-letno življenjsko dobo od 1,2 do 1,4 mm. Ta debelina daje dovoljeno korozijo, ki je večja od desetkratne pričakovane enotne izgube, varnostno rezervo proti lokaliziranim napadom 1,0 mm ali več, ustrezno mehansko robustnost za previdno ravnanje in najboljšo toplotno učinkovitost. Prehod na 1,5-1,6 mm poveča stroške materiala in zmanjša učinkovitost z majhnim povečanjem že tako nizke verjetnosti okvare zaradi korozije. Upravičljivo je samo, če so stroški upravičeni in le, če obstajajo posebne motnje, kot so visoki kloridi, abrazivni delci, pogosti toplotni cikli ali stroge proizvodne kazni zaradi nenačrtovane zamenjave. Pri določanju grelnika za shranjevanje kavstične raztopine bi morali inženirji poiskati analizo klorida za oskrbo z natrijevim hidroksidom in ocenjeni delovni cikel. Iz tega je mogoče določiti stroškovno{21}}optimizirano debelino 1,2 mm za čisto kavstiko s kloridi pod 100 ppm; 1,4-1,6 mm za jedko s kloridi do 500 ppm; in 2,0 mm le, če določena tveganja upravičujejo premijo. To spremeni odločitev o debelini iz privzete v smeri večjih sten v-podatkovno in stroškovno optimizirano inženirsko odločitev, ki uravnoteži vnaprejšnje stroške materiala s 5-letnimi operativnimi stroški in tveganjem prilagojeno verjetnostjo okvare.