Koje je inženjersko opravdanje za 1,2 mm naspram 2,0 mm debljine plašta u kotlovskim potopnim grijačima od nehrđajućeg čelika 316 na 150 stupnjeva i 6 bara

Visokotemperaturna usluga vode pod pritiskom: osnovni kompromis-

Jedan od najtežih uvjeta za bilo koji metalni materijal za plašt su grijači s uranjanjem u kotlovsku vodu. Voda je tekuća pri 150C i tlaku od 6 bara, ali blizu svoje krivulje zasićenja, tako da svako lokalno odstupanje temperature na površini omotača može pokrenuti nuklearno ključanje ili čak filmsko ključanje. U ovim okolnostima s pravilno upravljanom kemijom vode, nehrđajući čelik 316 ima odgovarajuću opću otpornost na koroziju. Međutim, dva mehanizma kvara postaju važna. Pukotine od korozije uslijed naprezanja od koncentriranih hidroksida i jamičasta pojava od bilo kakvog prodora klorida. Odabir debljine plašta od 1,2 mm u odnosu na 2,0 mm nije stvar izbora. Svaki broj predstavlja različitu inženjersku filozofiju s različitim objašnjenjima koja se temelje na obuzdavanju tlaka, dopuštenoj koroziji, toplinskom odgovoru i kontroli režima vrenja. Ovo istraživanje predstavlja inženjersko obrazloženje za svaku opciju debljine i identificira okolnosti u kojima jedna jasno nadmašuje drugu.

Opravdanost zadržavanja tlaka na 6 bara, 150 stupnjeva

Obručno naprezanje u plaštu od nehrđajućeg čelika 316 pri radnom tlaku od 6 bara (mjerni) izračunava se pomoću formule cilindra s tankom-stjenkom. Unutarnji radijus cijevi vanjskog promjera 12 mm i debljine 1,2 mm iznosi 4,8 mm. Obručno naprezanje je tlak puta unutarnji polumjer podijeljen s debljinom stijenke: 0,6 MPa puta 4,8 mm podijeljeno s 1,2 mm jednako je 2,4 MPa. Za debljinu stijenke od 2,0 mm, unutarnji radijus je 4,0 mm, a naprezanje obruča je 0,6 MPa × 4,0 mm / 2,0 mm=1.2 MPa. Obje brojke su nekoliko redova veličine ispod granice razvlačenja nehrđajućeg čelika 316 na 150 stupnjeva od otprilike 170 MPa. Zadržavanje tlaka ne opravdava deblji zid. Čak i stijenka od 1,2 mm ima sigurnosni faktor od 70 protiv pada tečenja. Da bi bio nepropusn na 6 bara, potrebna debljina stijenke je minimalno manja od 0,3 mm. Inženjerska osnova za bilo koju debljinu stoga se mora temeljiti na drugim osnovama, a ne na razmatranjima tlaka pucanja.

Zašto dodatak za koroziju u kemiji kotlovske vode

Voda iz kotla općenito se tretira za održavanje alkalnih uvjeta (pH 9-11) i za uklanjanje otopljenog kisika, klorida i drugih neprijateljskih tvari. Opća stopa korozije nehrđajućeg čelika 316 u optimalnoj kemiji vode na 150 stupnjeva prilično je niska, otprilike 0,005-0,015 mm/godišnje. Zid od 1,2 mm potencijalno bi izdržao samo 80 do 240 godina pod stalnim napadima. Ali sustavi originalnih kotlova imaju svoje loše uvjete: curenje kondenzatora unosi kloride, loša kemijska obrada uzrokuje koncentraciju kaustične kiseline ili prodor kisika tijekom održavanja. Lokalizirane stope korozije procijenjene su na čak 0,1-0,3 mm/godišnje u uvjetima udara. Stjenka je debela 1,2 mm, što daje dopuštenje za koroziju od recimo 0,6-0,7 mm prije nego što dođete do minimalne strukturne debljine od 0,5 mm. Ova bi se dozvola potrošila za 3 do 4 godine uz poremećenu stopu korozije od 0,2 mm godišnje. Stjenka debljine 2,0 mm daje dopuštenje za koroziju od 1,3-1,4 mm i produljuje vrijeme preživljavanja uznemiravanja na šest do osam godina. Dakle, inženjerski razlog za zid od 2,0 mm u kotlovskoj vodi nije u normalnim radnim uvjetima, već u otpornosti na poremećaje kemije vode. Tanji zid može biti opravdan za objekte s dobrim nadzorom i kontrolom pročišćavanja vode. Deblju stijenku treba opravdati kao zaštitu od smetnji za objekte s promjenjivom kvalitetom napojne vode, čestim curenjem kondenzatora ili ograničenom radnom snagom za kemijsku obradu.

Kontrola režima vrenja i kritične razlike u debljini

Najjedinstveniji inženjerski razlog za razliku između 1,2 mm i 2,0 mm je u interakciji svake debljine s režimom vrenja na površini plašta. Pri 150 stupnjeva i tlaku od 6 bara, temperatura zasićenja vode je 150 stupnjeva. Plašt grijača mora biti iznad ukupne temperature za prijenos topline, stoga je površinska temperatura normalno 160-180 stupnjeva, ovisno o gustoći vata i uvjetima protoka. Takve temperature izazivaju jezgrovo vrenje. Drugi, nukleatno vrenje, događa se kada mjehurići pare nukleiraju iz mjesta nukleacije na površini omotača, rastu i odvajaju se i vrlo je učinkovit u prijenosu topline. Ali ako je toplinski tok prevelik ili je površinska temperatura iznad određene vrijednosti, jezgrovo vrenje će se promijeniti u filmsko vrenje gdje kontinuirani sloj pare izolira omotač i dovodi do brzog porasta temperature. Debljina stijenke utječe na temperaturu površine pri određenoj gustoći vata. Za danu gustoću vata od 12 W/cm 2 na površini omotača u vodi od 150 stupnjeva, debljina stijenke od 1,2 mm imat će površinsku temperaturu od oko 165-170 stupnjeva, što je unutar režima ključanja jezgre. Pri istoj gustoći vata, stijenka od 2,0 mm s povećanim toplinskim otporom povećava temperaturu površine na 180-185 stupnjeva. To je blizu kritičnog toplinskog toka vode pri ovom tlaku i temperaturi. Ako ste bliže prijelazu filmskog vrenja, riskirate brzi temperaturni skok ako protok padne ili poraste gustoća vata. Dakle, inženjerska osnova za stijenku od 1,2 mm je bolja toplinska izvedba i veća margina protiv vrenja filma. Tanja stijenka održava nižu površinsku temperaturu, omogućujući veće gustoće vata ili zaštitu od smetnji u procesu.

Osjetljivost koncentrata kotlovske vode na pucanje od korozije pod naponom

Pucanje od korozije izazvano kaustičnim naponom (CSCC) je priznati mehanizam kvara za austenitne nehrđajuće čelike u uvjetima vode u kotlu gdje postoji lokalna koncentracija kaustične kiseline ispod naslaga ili na vodnoj liniji. Osjetljivost na CSCC raste s temperaturom i koncentracijom natrijevog hidroksida. Prag naprezanja za CSCC nehrđajućeg čelika 316 je oko 150-200 MPa na 150 stupnjeva u razrijeđenim kaustičnim otopinama, ali se brzo smanjuje s porastom temperature. Dva su izvora zaostalog vlačnog naprezanja u plaštu grijača: unutarnje tlačno naprezanje (prikazano gore kao minimalno) i proizvodna zaostala naprezanja od izvlačenja i savijanja cijevi. Preostala obručna naprezanja u izvučenim cijevima od nehrđajućeg čelika 316 obično su 50-150 MPa, ovisno o stupnju hladnog rada i stanju žarenja cijevi. Stijenka od 1,2 mm je tanja, stoga ima niža zaostala naprezanja nakon izvlačenja od stijenke od 2,0 mm. To je zato što je potrebno manje hladnog rada da bi se dobila konačna dimenzija. Iskustvo s terena pokazuje da su grijači s tanjim stijenkama manje skloni inicijaciji CSCC zbog nižeg zaostalog naprezanja i niže površinske temperature što smanjuje stopu koncentracije kaustične kiseline. Inženjerska osnova za zid od 1,2 mm je manja intrinzična osjetljivost na pucanje od korozije pod istim okolnostima kemije vode.

Toplinski odziv i kontrola sustava

Uranjajući grijači vode u kotlu obično se koriste u sustavima koji zahtijevaju preciznu kontrolu temperature. Toplinska masa plašta utječe na vrijeme odgovora na upravljačke signale. Stijenka od 2,0 mm ima oko 67% više metala po jedinici duljine od stijenke od 1,2 mm (za isti vanjski promjer, tj. cijev od 12 mm, površina poprečnog-presjeka plašta povećava se s 40,7 mm² na 62,8 mm²). Ovaj dodatni metal funkcionira kao toplinski kondenzator, koji usporava brzinu promjene temperature omotača nakon primjene ili prekida napajanja. Za sustav koji se često uključuje i isključuje, deblja stijenka rezultira većim promjenama temperature i duljim razdobljima taloženja. Još važnije, zbog toplinskog kašnjenja između otporne žice i površine plašta, kontrolni sustav koji reagira na termoelement postavljen na plašt će sporo reagirati na promjene temperature žice. Vremenska konstanta za prijenos topline sa žice na vanjsku površinu za zid debljine 1,2 mm je oko 0,5-1,0 sekundi. U zidu od 2,0 mm ova vremenska konstanta je 1,5-3,0 sekunde. Ova razlika je mala za većinu regulacija kotla, ali za visoko precizne primjene ili sustave s brzim promjenama opterećenja, tanji zid daje poboljšanu mogućnost upravljanja. Inženjersko obrazloženje za zid od 1,2 mm u ovim primjenama je bolji dinamički odziv i stroža kontrola temperature.

Sažeta tablica inženjerskog opravdanja

Razmatranje 1,2 mm omotač 2,0 mm omotač
Sigurnosni faktor zadržavanja tlaka pri 6 bara 70 (izvrsno) 140 (pretjerano projektirano)
Dodatak korozije za normalan rad 0,6 mm (80+ godina) 1,4 mm (180+ godina)
Vrijeme preživljavanja poremećaja (Brzina korozije 0,2 mm/godina) 3-4 godine 6-8 godina
Temperatura površine pri 12 W/cm2 165-170 stupnjeva 180-185 stupnjeva
Prijelazna margina na film boilingLarge Small
Preostalo naprezanje u proizvodnji Niže (50-100 MPa) Povećano (80-150 MPa)
Rizik od pokretanja CSCCLowerHigher
Konstanta vremena toplinske reakcije 0,5 do 1,0 sekunde 1,5 do 3,0 sekunde
Opravdana normalna primjena Dobro kontrolirani sustavi Visoka gustoća vata Precizna kontrola Konzervativni dizajn Sustavi skloni poremećajima- Varijabilna napojna voda
Zaključci: Inženjersko opravdanje za svaku debljinu

Ovo nije slučaj da je jedan bolji od drugog. Na primjer, 316 grijači vode u kotlu od nehrđajućeg čelika na 150 stupnjeva i 6 bara: debljina plašta 1,2 mm ili 2,0 mm. Stjenka od 1,2 mm je opravdana kada je kemija vode dobro kontrolirana i kontinuirano održavana, kada je potreban rad s velikom gustoćom vata i kada je važno vrijeme toplinske reakcije. To rezultira nižim površinskim temperaturama, većom marginom protiv vrenja filma, manjim zaostalim naprezanjima i manjom osjetljivošću na pucanje uslijed korozije. Stjenka od 2,0 mm zajamčena je tamo gdje se očekuje poremećaj kemijskog sastava vode, potrebno je dulje vrijeme preživljavanja poremećaja i gdje je dopuštenje za koroziju poželjnije od toplinske izvedbe prema filozofiji dizajna. To daje veću rezervu metala za lokalizirani napad, ali na račun viših površinskih temperatura i možda većeg rizika od CSCC-a. Za većinu sadašnjih kotlovskih sustava gdje je kemijska obrada automatizirana i nadzor je konstantan, inženjersko opravdanje je u rasponu od 1,2–1,5 mm. Stjenka od 2,0 mm je razumno oprezan izbor za starije biljke, biljke s promjenjivim sastavom kvalitete vode ili okolnostima u kojima grijač nije lako pregledati i promijeniti. U tim slučajevima inženjer bi trebao opravdati izbor na temelju sposobnosti upravljanja kemijskim sastavom vode, očekivane frekvencije poremećaja i potreba za gustoćom vata, a ne na netočnoj ideji da je deblji uvijek sigurniji u visokotemperaturnoj stlačenoj vodi.