Mikä on vahvistettu vaipan paksuus 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetulle lämmittimelle 25 % ammoniumnitraattiliuoksessa 110 asteessa 3 baarin paineella ja ilman klorideja

Hapettava lannoitepalvelu: peruskauppa-pois

25-prosenttinen ammoniumnitraattiliuos (NH4NO₃) on yleinen väliaine lannoitteiden valmistuksessa ja lämmönsiirtonesteenä joissakin teollisissa toiminnoissa. Ilmakehä on erittäin hapettava 110 °C:ssa ja 3 baarin paineessa, koska siinä on nitraatti-ioneja, jotka ovat katodisia estoaineita ja itse asiassa passivoivat 316 ruostumatonta terästä. Pistojen muodostuminen on suurin huolenaihe, kun käytetään kloridia sisältäviä liuoksia. Ammoniumnitraatin tapauksessa on huomioitava kaksi erilaista vikamekanismia: jännityskorroosiohalkeilu tiivistetyissä nitraattiliuoksissa ja yleinen korroosio, jos pH poikkeaa stabiilin alueen ulkopuolelle. Ilman klorideja paksuuspäätös on paljon helpompi. Tätä toimintoa varten vahvistettua vaipan paksuutta säätelevät mekaaninen eheys, tasainen korroosionsuoja ja nitraatti{9}}indusoitu halkeilukestävyys. Lämpötehokkuus on pieni, mutta tärkeä näkökohta.

Sähkökemiallinen käyttäytyminen NO3-liuoksissa

Nitraatti-ioni on erittäin vahva hapetin ja se suojaa 316 ruostumattoman teräksen passiivikalvoa laajalla lämpötila- ja pitoisuuksien alueella. Korroosiopotentiaali 25-prosenttisessa ammoniumnitraatissa 110 °C:ssa on keskimäärin välillä +200 - +400 mV verrattuna hopea-hopeakloridi-referenssielektrodiin ja on hyvin passiivisen alueen sisällä. Tasainen korroosionopeus tällaisissa ympäristöissä on erittäin alhainen, luokkaa 0,002-0,008 mm vuodessa lannoiteliiketoiminnassa käytettävien laitteiden painonpudotustutkimusten perusteella. Kymmenen vuoden tasainen korroosiovara on 0,02-0,08 mm 1,2 mm:n seinäkiukaalla ja terve metalli on yli 1,1 mm. Tässä sovelluksessa paksuutta ei ohjaa tasainen korroosio. Passiivinen kalvo on stabiili, jos liuoksen pH on välillä 4-9. Ammoniumioni on heikko happo, joten ammoniumnitraattiliuosten pH on luonnollisesti välillä 5-6, mikä on stabiili pH-alue. Korroosionopeutta voidaan lisätä, jos liuos saastuttaa hapolla (prosessin alkuvaiheen häiriöt) tai alkalilla (puhdistusaineista). Tällaiset häiriöt ovat kuitenkin yleensä lyhytaikaisia ​​eivätkä vaadi suurta korroosiovaraa.

Nitraattistressikorroosiohalkeilun vaara

Jännityskorroosiohalkeilu (SCC) on ruostumattoman 316-teräksen pääasiallinen ongelma kuumissa ammoniumnitraattiliuoksissa. Nitraatti-SCC on laajalti vakiintunut austeniittisille ruostumattomille teräksille, ja herkkyys kasvaa lämpötilan ja nitraattipitoisuuden kasvaessa. 110 °C:ssa ja 25 % ammoniumnitraatissa SCC:n riski on kohtalainen, mutta ei merkityksetön. Ratkaisevia tekijöitä SCC:n syntymiselle ovat vetojännitys (valmistuksen tai paineen aiheuttama) ja tiivistetyn nitraattipinnoitteen olemassaolo pinnalla. Nitraatti-SCC voi kehittyä laajalla potentiaalialueella, kun taas kloridi-SCC esiintyy tietyissä potentiaaleissa. Nitraatti-SCC:n halkeamien etenemisnopeus ruostumattomassa 316-teräksessä 110 °C:ssa on yleensä 0,05-0,2 mm/vuosi aloituksen jälkeen. Lämmittimen vaipan perushuoli on putken vetämisestä ja taivutuksesta aiheutuvat jäännösvetolujunnot. Yleisesti ottaen mitä pienempi seinämän paksuus, sitä pienemmät jäännösjännitykset, koska loppumitan saavuttamiseksi tarvitaan vähemmän kylmätyötä. 1,2 mm:n vedetty putki sisältää tavallisesti 50-100 MPa jäännösvannejännityksiä, kun taas 2,0 mm putkessa voi olla 80-150 MPa. Paksumman seinämän jäännösjännitys on suurempi, mikä lisää SCC:n alkamisen todennäköisyyttä. Todellinen kenttäkokemus ammoniumnitraattihaihduttimista on osoittanut, että ohutseinäiset (1,2–1,5 mm) 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetut lämmittimet kestävät jatkuvasti paksuseinäisiä (2,0–2,5 mm) lämmittimiä. Vikaanalyysi on osoittanut, että paksuseinäiset viat johtuvat SCC:stä, kun taas ohuet seinät rikkoutuvat muista syistä, jotka eivät ole korroosiota pitkäaikaisen käytön jälkeen.

Painerajoitus - 3 baari

3 baarin järjestelmäpaineella vanteen jännitystarve on melko pieni. Putkelle, jonka ulkohalkaisija on=12 mm ja seinämä=1.2 mm, vanteen jännitys on 0,3 MPa x 4,8 mm / 1,2 mm=1.2 MPa. 2,0 mm:n seinälle jännitys on 0,3 MPa x 4,0 mm/2,0 mm=0.6 MPa. Molemmat ovat pieniä verrattuna 170 MPa:n myötörajaan. Painesäiliön paksuuden ei tarvitse olla erityinen. Mutta lämmittimen on oltava mekaanisesti riittävän kestävä vastustaakseen asennusmomenttia kierreliitännöissä. Luotettavaa kiinnitystä varten tarvitset vähintään 1,0-1,2 mm:n kierteen kiinnityspaksuuden. Alle 1,0 mm:n kierteen irtoamisen tai vääntymisen riski kasvaa huomattavasti, erityisesti halkaisijaltaan suuremmissa lämmittimissä.

Prosessin lämmitystarpeet ja lämpötehokkuus

Ammoniumnitraattiliuosten lämmönjohtavuus on verrattavissa veden lämmönjohtavuuteen eli . 0.60-0.65 W/m K 110°C:ssa. Turbulentin virtauksen konvektiivinen lämmönsiirtokerroin on nopeudesta riippuen 1000-2000 W/m²·K. Vaipan lämpövastus on noin 0,0004 m²·K/W seinämänpaksuudella 1,2 mm ja 0,0007 m²·K/W seinämänpaksuudella 2,0 mm. Tämä ero vastaa vaipan lämpötilaeroa 3-4°C wattitiheydellä 10 W/cm² (yleinen kiertolämmittimille). Prosessissa, joka on herkkä paikalliselle ylikuumenemiselle, on ratkaisevan tärkeää pitää vaipan lämpötila mahdollisimman alhaisena. Ammoniumnitraatti voi hajota eksotermisesti yli 180 °C:ssa. 1,2 mm:n seinä lämmittää 110°C:n bulkkiliuoksen 10 W/cm² noin 125-130°C:een vaipan pinnalla. 2,0 mm seinä on toiminnassa 128-134 astetta. Ammoniumnitraatin hajoamislämpötila on noin 200 astetta. Molemmat ovat kuitenkin paljon pienempiä ja lämpöero ei ole turvallisuuden kannalta merkittävä. Ohuempi seinä on kuitenkin hieman parempi energiatehokkuuden kannalta.

Vahvistetut paksuusohjeet alan kokemuksesta

Lannoitealalla on runsaasti käyttökokemusta 316 ruostumattoman teräksen laitteista ammoniumnitraattipalvelussa. Uppo- ja kiertolämmittimien vaipan paksuusalue on 1,2-1,6 mm pitkällä aikavälillä. Alle 1,0 mm ohuiden seinien käytön estävät mekaaniset käsittelyongelmat. Paksumpia, yli 1,8 mm:n seinämiä vältetään myös, koska niissä on suurempi jäännösjännitys ja suurempi todennäköisyys SCC:n rikkoutumiseen. Todistetun alueen sisällä 1,4-1,5 mm katsotaan parhaaksi kompromissiksi, riittävän paksu mekaaniseen lujuuteen ja kohtuulliseen korroosionvaraan, mutta riittävän ohut minimoimaan jäännösjännityksen ja SCC-riskin. 10 vuoden suunniteltu käyttöikä 25 % ammoniumnitraatissa 110°C:ssa ja 3 baarin paineessa ilman klorideja 1,4 mm seinämänpaksuus on täysin riittävä. Tiloissa, joissa on hyvät käsittelystandardit, voidaan käyttää myös 1,2 mm seinää. 1,6 mm:n seinä antaa ylimääräisen mekaanisen marginaalin, mutta ei korroosiota tai SCC-etua 1,4 mm:iin verrattuna.

Paksummat seinät, jotka ovat todella huonompia

Paksumpia seiniä ei tarvita ammoniumnitraattipalvelussa, ja ne voivat olla vaarallisia. Paksumpien putkien valmistuksesta johtuvat lisääntyneet jäännösjännitykset lisäävät SCC-käynnistyksen käyttövoimaa. Kun halkeama kehittyy, paksummalla seinällä on enemmän murtuvaa materiaalia, mutta halkeaman kasvunopeus on paksuudesta riippumaton. 2,0 mm:n seinämän halkeaman kasvu on 0,1 mm/vuosi kestää 20 vuotta rei'ittämiseen, 1,2 mm:n seinään 12 vuotta. Mutta paksummalla seinällä on suurempi riski halkeamien alkamisesta. Ammoniumnitraattitehtaiden kenttätiedot osoittavat, että 2,0–2,5 mm seinämät lämmittimet hajoavat SCC:stä 3–6 vuodessa, kun taas saman laitoksen lämmittimet, joiden seinämät ovat 1,2–1,5 mm, toimivat 8–12 vuotta ja usein epäonnistuvat sähköeristyksen heikkenemisen vuoksi vaipan rei'ittämisen sijaan. Todistettu tulos on, että ohuemmat seinät ovat parempia nitraatti-SCC-tilanteissa, koska jäännösjännitykset ovat vähentyneet.

Varmennettujen paksuusvaihtoehtojen vertailu

Jäännösrenkaan jännitys SCC:n alkamisen todennäköisyys Vaipan paksuus Tasainen korroosiovara (10 vuotta) Mekaaninen kestävyys Todistettu käyttöikä kentällä
1,0 mm 40-80 MPa Matala 0,02-0,08 mm Raja 8-10 vuotta (riippuu käsittelystä)
1,2 mm 50-90 MPa Matala 0,02-0,08 mm Riittävä 10-12 vuotta
1,4 mm 60-100 MpaMatala - Keskitasoinen 0,02-0,08 mmHyvä 10-12 vuotta (parempi)
1,6 mm 70-110 MPa Keskikoko 0,02-0,08 mm8-10 vuotta Erittäin hyvä
2,0 mm 90-140 MPaModerate-Korkea 0,02-0,08 mm Erinomainen 5-7 vuotta (SCC-rajoitettu)
2,5 mm 110-160 MPa Korkea 0,02-0,08 mm Erinomainen 3-5 vuotta (SCC-rajoitettu)
Johtopäätös: Paksuus vahvistettu pitkän aikavälin luotettavuudelle

316 ruostumattomasta teräksestä valmistettua lämmitintä 25-prosenttisessa ammoniumnitraattiliuoksessa 110 °C:ssa 3 baarin paineella ilman klorideja. Todettu vaipan paksuusalue on 1,2-1,6 mm ja 1,4-1,5 mm sopii useimpiin asennuksiin. Korroosion kannalta ohuemmat alle 1,2 mm seinät ovat hyväksyttäviä, mutta ne ovat vaarassa vaurioitua mekaanisesti asennuksen ja puhdistuksen aikana. Paksummat yli 1,6 mm seinät sisältävät suurempia jäännösjännityksiä, jotka lisäävät nitraattijännityskorroosiohalkeilun vaaraa ja siten niillä on lyhyempi käyttöikä jopa suuremmalla metallimäärällä. Tämä on vastoin yleistä tekniikan oletusta, että tässä ympäristössä paksumpi on aina parempi korroosionkestävyyden kannalta. Tämä johtuu siitä, että päävauriomekanismia (SCC) ohjaa jäännösjännitys, joka kasvaa paksuuden kasvaessa. Insinöörien, jotka valitsevat lämmittimen ammoniumnitraattikäyttöön, tulisi määrittää suurin sallittu jäännösjännitys (yleensä 100 MPa) vähimmäispaksuuden sijaan. Tämä takaa, että valmistaja käyttää oikein hehkutettua putkea, jolla on pieni jäännösjännitys, joka on suurempi kuin absoluuttinen seinämän paksuus. Useimpiin sovelluksiin voidaan määrittää 1,4–1,5 mm liuoshehkutetussa tilassa, jotta saadaan vahvistettu yhdistelmä mekaanista kestävyyttä, SCC-kestävyyttä ja lämpötehokkuutta kymmenen vuoden käyttöiän ajan.