Mikä on luotettava vaipan paksuus 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetulle kiertolämmittimelle 40 % kalsiumkloridiliuoksessa 90 asteessa 5 baarin järjestelmäpaineella

Ydinkauppa-High-Density Line Servicessä

Kalsiumkloridiliuos (40 %:n pitoisuus) on tyypillinen lämmönsiirtoneste, jota käytetään jäähdytysjärjestelmissä, jäänpoistosovelluksissa ja teollisuuden jäähdytyssilmukoissa. Kalsiumkloridi-suolavesi (tiheys noin 1,4 g/cm3, jäätymispiste -45 astetta optimaalisella pitoisuudella) on tiheämpää kuin natriumkloridi-suolavesi, ja se voidaan pitää nesteenä alemmissa lämpötiloissa. Ruostumaton 316-teräs täyttää erittäin vaativan ympäristön 90 asteessa ja 5 baarin . 40%:n järjestelmäpaineessa. Kalsiumkloridiliuos sisältää noin 25 painoprosenttia kloridia ja on erittäin aggressiivinen. Syövyttävä käyttäytyminen on kuitenkin maltillista natriumkloridiin verrattuna kalsiumionien läsnäolon vuoksi. Kalsiumionit estävät kloridi-ionien aktiivisuutta ioniparin muodostuksella. Tämän toiminnon luotettavan vaipan paksuuden varmistamiseksi on otettava huomioon paineenrajoitus, pistesyöpymiskestävyys kloridipitoisessa suolaliuoksessa, eroosio kaikista suspendoituneista kiintoaineista ja lämmönsiirron edellyttämä lämpötehokkuus. Toisin kuin rautakloridi, jolle 316 ei juurikaan sovellu, 316 ruostumaton voi ottaa kalsiumkloridi-suolaliuosta kohtuullisissa lämpötiloissa oikean paksuuden ja toimintakurin kanssa.

Painerajoitus @ 5 Bar & 90 C

Kiertolämmittimen vaipan renkaan jännitystarve 5 baarin järjestelmäpaineella on pieni, mutta ei nolla. Ulkohalkaisijaltaan 12 mm putkella se riippuu seinämän paksuudesta. Vanteen jännityskaava on σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t tuottaa seuraavat arvot: 1,2 mm:n seinälle (sisäsäde 4,8 mm) jännitys on 0,5 MPa kertaa 4,8 mm 1,2 mm:n päällä, mikä antaa 2,0 MPa. 2,0 mm seinälle (sisäsäde 4,0 mm) jännitys on 0,5 MPa kertaa 4,0 mm jaettuna 2,0 mm:llä, mikä on 1,0 MPa. Molemmat tulokset ovat huomattavasti pienempiä kuin ruostumattoman teräksen 316 170 MPa myötöraja 90 asteessa. Paksuutta ei määritetä pelkästään paineenrajoituksella. Lämmönkeruujärjestelmän kiertolämmittimet asennetaan kuitenkin usein kierre- tai laippaliittimiin, jotka vaaditaan kestämään asennusmomenttia ja lämpölaajenemispaineita. Liitoskohtien vähimmäispaksuuden tulee olla 1,2 mm kierteen kiinnittymisen ja mekaanisen kimmoisuuden vuoksi. Ohuet kuin 1,0 mm seinät voivat olla asennettuna vaarassa kierteen irtoamisen tai muodonmuutoksen.

Paikallisen korroosionkestävyys tiivistetyissä kalsiumkloridiliuoksessa

Ruostumattoman teräksen 316 pistesyöpymiskestävyys kalsiumkloridi-suolaliuoksessa on paljon parempi kuin natriumkloridi-suolaliuoksessa samanlaisilla kloridin painoprosentteilla. Tämä johtuu siitä, että kloridi-ionit ovat vähemmän aktiivisia kalsiumkloridiliuoksissa. 316 ruostumattoman teräksen kriittinen pistelämpötila 25 % kloridi-ionipitoisuudessa (alkaen 40 % CaCl2) on noin 45-55 astetta happipitoisuudesta ja virtausolosuhteista riippuen. Liuos on paljon yli kriittisen pistekorkeuslämpötilan 90 C, joten pistekorotusta tapahtuu. Kysymys kuuluu, millä nopeudella kuopat leviävät. 316:n ruostumattoman teräksen kuopan kasvunopeudet 40 % CaCl2:ssa 90 asteessa ilmastusolosuhteissa on julkaistu arvona 0,3-0,8 mm/vuosi, alhaisempi arvo liittyy turbulenttisiin virtausolosuhteisiin, jotka estävät kloridin konsentraation kaivon sisäänkäynnissä. Kiertolämmittimellä, jonka virtausnopeus on 1,5-2,0 m/s, kuopan kasvunopeus on noin 0,3-0,5 mm/vuosi. Suurin ennustettu kuopan syvyys on 1,5–2,5 mm viiden vuoden suunnittelun aikana. Tämä laskenta ohjaa suoraan paksuuden valintaa. 1,5 mm:n seinällä on suuri puhkeamisen todennäköisyys viiden vuoden kuluttua. Seinä on 2,0 mm. 5 vuoden kaivanlaajennuksen jälkeen turvamarginaali on 0,5-1,5 mm. 2,5 mm:n seinämäpaksuus antaa suuremman marginaalin, mutta suurilla lämpö- ja kustannussakkoilla. Luotettava paksuusalue 5 vuoden suunnittelun kestoon on 2,0-2,3 mm.

Tasaista korroosiota ja rakohyökkäystä koskevia huomioita

Suurin ongelma on pistesyöpyminen, mutta voit mitata tasaisen korroosion 40 % kalsiumkloridiliuoksessa 90 asteessa. Julkaistut painonpudotustutkimukset osoittavat korroosionopeuden 0,05-0,12 mm/vuosi virtaavissa olosuhteissa ja ovat johdonmukaisia. Tasainen 0,25–0,60 mm:n pudotus havaitaan 5 vuoden ajan. Tämä vaurio pienentää seinämän tehollista paksuutta, joka on käytettävissä pisteen tunkeutumisen estämiseksi. Viiden vuoden tasainen korroosionopeus 0,10 mm/vuosi 2,0 mm:n seinälle jättää 1,5 mm:n paksuuden ennen kuin pistekorroosio alkaa. Viiden vuoden ajan 0,4 mm vuodessa laajeneva kuoppa saavuttaisi 2,0 mm:n syvyyteen ja rei'ittäisi seinän. Tasaisen häviön ja pistesyöpymisen yhdistelmä tarkoittaa, että 2,0 mm:n seinä on lähellä luotettavuuden rajaa viiden vuoden käyttöiän ajan. Rakohyökkäys laipan tiivisteisiin, kierreliitäntöihin ja mahdollisiin kalkkijäämiin on lisätty. Kalsiumkloridi-suolaveden halkeamissa voi esiintyä paikallista korroosiota 0,5-1,0 mm vuodessa. Tästä syystä lämmönkeruukiertolämmittimien tulisi olla hitsattuja rakenteeltaan kierteitettyjen sijasta ja tiivisteitä tulisi välttää aina kun mahdollista.

Paksujen seinien lämpöteho Paksujen seinien hinta

40 % kalsiumkloridisuolaliuoksen lämmönjohtavuus on noin 0,55 W/m·K 90 asteessa, paljon pienempi kuin veden (0,68 W/m·K). Näin ollen konvektiivinen lämmönsiirtokerroin turbulentissa virtauksessa on pienempi, tavallisesti 600-1000 W/m²·K verrattuna veden 1500-2500 W/m²·K. Siten vaipan lämpöresistanssi on suurempi osuus kokonaislämpöpiirissä kuin vesihuollossa. Putkella, jonka ulkohalkaisija on 12 mm, sähkövastus kasvaa noin 0,004 m²·K/W seinämän paksuuden kasvaessa 1,5 mm:stä 2,5 mm:iin. Tämä lisääntynyt vastus nostaa vaipan lämpötilaa 8-10 astetta tyypillisellä kiertolämmittimen wattitiheydellä 7-8 W/cm2. 2,5 mm seinällä vaipan lämpötila voidaan nostaa 110-115 asteeseen 90 asteen bulkkilämpötilalla. Näissä lämpötiloissa pistesyttymisnopeus nousi noin 50-100 % verrattuna 100 asteeseen. Lisääntynyt seinämän paksuus korroosionkestävyyden vuoksi voi edistää pistesyöpymistä lämpövaikutuksen vuoksi. Tämä johtaa optimaaliseen paksuusikkunaan, joka on tarpeeksi ohut säilyttääkseen vaipan lämpötilan<105°C, but thick enough to permit pitting. The optimum range for most calcium chloride circulation systems is 2.0 to 2.2 mm.

Paksuussuositukset erilaisiin huoltoolosuhteisiin, luotettava

Kiertolämmittimelle, joka on 40-prosenttisessa kalsiumkloridisuolaliuoksessa 90 asteessa ja 5 baarissa turbulenttisella virtauksella (Re > 10 000) ja viiden vuoden suunniteltu käyttöikä, luotettava vaipan paksuus on 2,0-2,2 mm. Tämä paksuus mahdollistaa 1,0–1,5 mm:n pistevaran viiden vuoden tasaisen korroosion jälkeen, jos kuopan kasvunopeus on 0,4 mm vuodessa. Riittää 3 vuoden suunnitteluikään 1,6-1,8 mm Tämä on 2,5-2,8 mm 10 vuoden suunnittelukäyttöikään, mutta lämpövaikutus on huomattava. Päivitys korkeampaan metalliseokseen, kuten 316Ti tai 317L, voi olla kustannustehokkaampaa. Järjestelmissä, joissa on laminaarivirtaus tai kuolleet vyöhykkeet, joissa on suurempi pistesyvyys, paksuutta tulee lisätä 0,3–0,5 mm. Järjestelmissä, joissa käytetään suolaliuosta (liuennutta happea alle 100 ppb), pistekorkeus laskee 0,1-0,2 mm:iin vuodessa ja se voidaan pienentää 1,5-1,8 mm:iin viiden vuoden käyttöiän ajaksi.

Käytännön suunnittelutoimenpiteet, jotka vähentävät paksuusvaatimuksia

Erilaisia ​​suunnittelutoimenpiteitä on saatavilla tarvittavan vaipan paksuuden pienentämiseksi luotettavuudesta tinkimättä. Ensinnäkin virtauksen hallinta: Vähimmäisvirtausnopeus on 1,5 m/s, jotta vältetään rajakerroksen pysähtyminen ja minimoidaan pistekorkeus kaksinkertaisesti. 2. Ilmanpoisto: Paisuntasäiliön päällä oleva typpipeite vähentää liuenneen hapen määrää 8 ppm:stä alle 0,5 ppm:iin ja samalla korroosionopeus vähenee jatkuvasti. Kolmanneksi inhibiittoreiden lisääminen. Natriumkromaatti tai natriummolybdaatti pitoisuudessa 200-500 ppm lisää huomattavasti pistesyöpymiskestävyyttä ja mahdollistaa paksuuden pienenemisen 0,3-0,5 mm. Neljänneksi pintakäsittely. Sähkökiillotetuissa putkissa on vähemmän kuopan aloituskohtia ja pienempi kuopan kasvunopeus kuin mekaanisesti kiillotetuissa putkissa. 1,8 mm sähkökiillotettu seinä voi toimia paremmin kuin 2,2 mm vedetty seinä.

Johtopäätös: Kalsiumkloridin suolaliuoksen luotettava paksuus

Vaipan paksuus 2,0-2,2 mm todettiin luotettavaksi viiden vuoden suunnitteluikäiselle 316 SS-kiertolämmittimelle myrskyisissä, ilmastusolosuhteissa 40 % kalsiumkloridi-suolaliuoksella 90 °C:ssa ja 5 baarin paineessa. Tämä paksuus on kompromissi pistekorvauksen, tasaisen korroosiomarginaalin ja lämpösuorituskyvyn välillä. Yli 1,8 mm ohuet seinät rei'ityvät todennäköisesti 3 vuodessa. Paksummat seinät yli 2,5 mm nostavat vaipan lämpötilan alueelle, jossa pistesyöpyminen kiihtyy ja paluu vähenee. Luotettavin spesifikaatio sisältää paksuuden lisäksi myös vähimmäisvirtausnopeuden (1,5 m/s), pinnan viimeistelyn (sähköhiotun) ja liuenneen hapen hallinnan, mikäli mahdollista. Insinöörien tulee ilmoittaa mitoitettu käyttöikä vuosina ja virtausjärjestelmä määritellessään. Tämä muuttaa paksuuspäätöksen arvauksesta laskelmaksi julkaistujen korroosiotietojen ja lämpömallinnuksen avulla, mikä tarjoaa luotettavan pitkän aikavälin suorituskyvyn yhdessä ruostumattoman 316-teräksen ongelmallisimmista suolaolosuhteista.