Kakšna je zanesljiva debelina ovoja za obtočne grelnike iz nerjavečega jekla 316 v 40-odstotni raztopini kalcijevega klorida pri 90 stopinjah in sistemskem tlaku 5 barov

Ključni kompromis-pri storitvi slanice visoke-gostote

Slanica kalcijevega klorida (40-odstotna koncentracija) je tipična tekočina za prenos toplote, ki se uporablja v hladilnih sistemih, aplikacijah za odmrzovanje- in industrijskih hladilnih zankah. Slanica kalcijevega klorida (gostota približno 1,4 g/cm3, zmrzišče -45 stopinj pri optimalni koncentraciji) je bolj gosta kot slanica natrijevega klorida in lahko ostane tekoča pri nižjih temperaturah. Nerjaveče jeklo 316 je primerno za zelo zahtevno okolje pri 90 stopinjah in sistemskem tlaku 5 bar. 40% kalcijevega klorida, ki ima vsebnost klorida okoli 25 mas.% in je zelo agresiven. Vendar je korozivno obnašanje v primerjavi z natrijevim kloridom blažje zaradi prisotnosti kalcijevih ionov. Kalcijevi ioni zavirajo aktivnost kloridnih ionov z ionskim parjenjem. Za zanesljivo debelino ovoja za to funkcijo je treba upoštevati zadrževanje tlaka, odpornost proti luknjam v slanici z visoko vsebnostjo klorida, erozijo zaradi morebitnih suspendiranih trdnih snovi in ​​toplotno učinkovitost, potrebno za prenos toplote. Za razliko od železovega klorida, kjer 316 ni zelo primeren, lahko nerjavno jeklo 316 sprejme raztopino kalcijevega klorida pri zmernih temperaturah s pravo debelino in operativno disciplino.

Zadrževanje tlaka pri 5 barih in 90 C

Zahteva za obročno napetost za plašč obtočnega grelnika pri sistemskem tlaku 5 barov je majhna, vendar ne enaka nič. Za cev z zunanjim premerom 12 mm je odvisno od debeline stene. Formula obročaste napetosti je σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t daje naslednje vrednosti: za steno 1,2 mm (notranji polmer 4,8 mm) je napetost 0,5 MPa krat 4,8 mm na 1,2 mm, kar daje 2,0 MPa. Za 2,0 mm steno (notranji polmer 4,0 mm) je napetost 0,5 MPa krat 4,0 mm deljeno z 2,0 mm, kar je 1,0 MPa. Oba rezultata sta znatno nižja od meje tečenja 170 MPa nerjavečega jekla 316 pri 90 stopinjah. Debelina ni določena samo z zadrževanjem tlaka. Vendar pa so cirkulacijski grelniki sistema slanice pogosto nameščeni na navojne ali prirobnične priključke, ki morajo vzdržati vgradni navor in tlak toplotnega raztezanja. Najmanjša debelina na priključnih mestih mora biti 1,2 mm za vprijem navojev in mehansko odpornost. Stene, tanjše od 1,0 mm, so lahko v nevarnosti, da se pri namestitvi odtrgajo niti ali deformirajo.

Odpornost proti lokalni koroziji v koncentriranih slanicah kalcijevega klorida

Odpornost nerjavečega jekla 316 proti luknjicam v slanici kalcijevega klorida je veliko boljša kot v slanici natrijevega klorida pri podobnih masnih odstotkih klorida. To je zato, ker so kloridni ioni manj aktivni v raztopinah kalcijevega klorida. Kritična jamičasta temperatura nerjavečega jekla 316 pri 25 % koncentraciji kloridnih ionov (od 40 % CaCl2) je približno 45–55 stopinj, odvisno od vsebnosti kisika in stanja pretoka. Raztopina je veliko nad kritično temperaturo luknjanja 90 °C, zato bo prišlo do luknjičastega procesa. Vprašanje je, s kakšno hitrostjo se jamice razmnožujejo. Stopnje rasti jam za nerjavno jeklo 316 v 40 % CaCl₂ pri 90 stopinjah v prezračenih okoliščinah so objavljene kot 0,3–0,8 mm/leto, pri čemer je nižja vrednost povezana s pogoji turbulentnega toka, ki preprečujejo koncentracijo klorida na vhodu v jamo. Pri obtočnem grelniku s hitrostjo pretoka 1,5-2,0 m/s je stopnja rasti jame približno 0,3-0,5 mm/leto. Največja predvidena globina jame je 1,5 do 2,5 mm v petletni načrtovani življenjski dobi. Ta izračun je neposredno vodilo pri izbiri debeline. Stena debeline 1,5 mm bi imela veliko verjetnost predrtja po petih letih. Stena je 2,0 mm. Po 5 letih širjenja jame je varnostna meja 0,5-1,5 mm. Debelina stene 2,5 mm daje večjo rezervo, vendar z velikimi toplotnimi in stroškovnimi kaznimi. Zanesljivo območje debeline za 5-letno življenjsko dobo je 2,0–2,3 mm.

Premisleki o enakomerni koroziji in napadu rež

Glavna težava je luknjastost, vendar lahko enakomerno korozijo merite v 40-odstotni raztopini kalcijevega klorida pri 90 stopinjah. Objavljene študije izgube teže kažejo stopnje korozije 0,05-0,12 mm/leto v tekočih okoliščinah in so dosledne. V 5 letih opazimo enakomerno zmanjšanje od 0,25 do 0,60 mm. Ta poškodba zmanjša efektivno debelino stene, ki je na voljo za preprečevanje vdora lukenj. 5-letna enakomerna stopnja korozije 0,10 mm/leto na steni debeline 2,0 mm pusti debelino 1,5 mm, preden se začne luknjanje. Jamica, ki se pet let širi s hitrostjo 0,4 mm na leto, bi dosegla globino 2,0 mm in preluknjala steno. Kombinacija stalnih izgub in lukenj pomeni, da je 2,0 mm stena blizu roba zanesljivosti za celotno petletno življenjsko dobo. Napad na špranjo pri tesnilih prirobnic, navojnih povezavah in pod kakršnimi koli usedlinami vodnega kamna dobi dodatno dimenzijo. Lokalne stopnje korozije 0,5-1,0 mm na leto se lahko pojavijo v razpokah v slanici kalcijevega klorida. Iz tega razloga morajo biti obtočni grelniki slanice varjeni in ne navojni, tesnilom pa se je treba izogibati, kjer je le mogoče.

Toplotna učinkovitost debelih sten Stroški debelih sten

Toplotna prevodnost 40 % slanice kalcijevega klorida je približno 0,55 W/m·K pri 90 stopinjah, kar je veliko manj kot pri vodi (0,68 W/m·K). Tako je konvektivni koeficient prenosa toplote v turbulentnem toku manjši, običajno 600-1000 W/m²·K v primerjavi s 1500-2500 W/m²·K za vodo. Tako toplotna upornost plašča bolj prispeva k celotnemu toplotnemu krogu kot pri vodovodu. Pri cevi z zunanjim premerom 12 mm se električni upor poveča za približno 0,004 m²·K/W, ko se debelina stene poveča z 1,5 mm na 2,5 mm. Ta povečana odpornost poveča temperaturo plašča za 8-10 stopinj za tipično vatno gostoto obtočnega grelnika 7-8 W/cm2. Z 2,5 mm steno se lahko temperatura plašča poveča na 110-115 stopinj za temperaturo v razsutem stanju 90 stopinj. Stopnja luknjanja pri teh temperaturah se je povečala za približno 50-100 % v primerjavi s tisto pri 100 stopinjah. Povečana debelina stene za odpornost proti koroziji bi lahko zaradi toplotnega učinka spodbudila luknjičasto nastajanje. Posledica tega je okno optimalne debeline, ki je dovolj tanko, da ohranja temperaturo plašča<105°C, but thick enough to permit pitting. The optimum range for most calcium chloride circulation systems is 2.0 to 2.2 mm.

Priporočila glede debeline za različne pogoje uporabe, zanesljivo

Za obtočni grelnik v 40 % slanici kalcijevega klorida pri 90 stopinjah in 5 barih s turbulentnim tokom (Re > 10.000) in načrtovano življenjsko dobo petih let je zanesljiva debelina plašča 2,0-2,2 mm. Ta debelina po petih letih enakomerne korozije omogoča luknjičasti dodatek 1,0–1,5 mm, ob predpostavki, da je stopnja rasti jamic 0,4 mm na leto. Zadostuje za 3-letno načrtovano življenjsko dobo 1,6-1,8 mm To je 2,5-2,8 mm za 10-letno načrtovano življenjsko dobo, vendar postane toplotna kazen precejšnja. Nadgradnja na višjo zlitino, kot je 316Ti ali 317L, je lahko stroškovno učinkovitejša. Pri sistemih z laminarnim tokom ali mrtvimi conami z večjimi stopnjami luknjanja je treba debelino povečati za 0,3–0,5 mm. Za sisteme, ki uporabljajo odzračeno slanico (raztopljeni kisik manj kot 100 ppb), se stopnja luknjičaste luknjice zmanjša na 0,1–0,2 mm na leto in se lahko zmanjša na 1,5–1,8 mm v petletni življenjski dobi.

Praktični načrtovalski ukrepi, ki zmanjšujejo zahteve glede debeline

Na voljo so različni konstrukcijski ukrepi za zmanjšanje potrebne debeline plašča brez ogrožanja zanesljivosti. Prvič, upravljanje pretoka: uvedena je najmanjša hitrost pretoka 1,5 m/s, da se prepreči stagnacija mejne plasti in zmanjšajo stopnje luknjičaste luknje za faktor dvakrat. 2. Odzračevanje: Dušikova prevleka nad ekspanzijsko posodo zmanjša raztopljeni kisik z 8 ppm na manj kot 0,5 ppm z izjemnim zmanjšanjem luknjičaste luknjice in dosledno stopnjo korozije. Tretjič, dodajanje inhibitorjev. Natrijev kromat ali natrijev molibdat pri 200-500 ppm močno poveča odpornost proti luknjanju in omogoča zmanjšanje debeline za 0,3-0,5 mm. Četrtič, površinska obdelava. Elektropolirane cevi imajo manj mest iniciacije jamic in manjše stopnje rasti jamic kot mehansko polirane cevi. 1,8 mm elektropolirana stena lahko deluje bolje kot 2,2 mm narisana stena.

Zaključek: Zanesljiva gostota za slanico kalcijevega klorida

Ugotovljeno je bilo, da je debelina plašča 2,0-2,2 mm zanesljiva za petletno projektirano življenjsko dobo obtočnih grelnikov iz 316 SS v turbulentnih, prezračevanih okoliščinah za 40 % slanico kalcijevega klorida pri 90 °C in tlaku 5 barov. Ta debelina je kompromis med dovoljenimi luknjami, enotno korozijsko mejo in toplotno zmogljivostjo. Stene, tanjše od 1,8 mm, bodo verjetno perforirane v 3 letih. Debelejše stene nad 2,5 mm zvišajo temperaturo plašča v območje, kjer se luknjanje pospeši, vračanje pa zmanjša. Najbolj zanesljiva specifikacija ne vključuje le debeline, ampak tudi specifikacije za najmanjšo hitrost pretoka (1,5 m/s), površinsko obdelavo (elektropolirano) in nadzor raztopljenega kisika, kjer je to mogoče. Inženirji morajo pri opredelitvi navesti projektirano življenjsko dobo v letih in režim pretoka. To spremeni odločitev o debelini iz ugibanja v izračun z uporabo objavljenih podatkov o koroziji in toplotnega modeliranja, ki zagotavlja zanesljivo dolgoročno delovanje v enem od bolj problematičnih slanih pogojev za nerjavno jeklo 316.