Koja je potrebna debljina plašta za uronjene grijače od nehrđajućeg čelika 316 u otopinama za ispiranje s kaustičnom otopinom za-hranu (pH > 12)?

Osnovni kompromis u visokoalkalnoj usluzi

Kaustične otopine za pranje, natrijev hidroksid (NaOH) ili kalijev hidroksid (KOH), često se koriste u pogonima za preradu hrane u koncentracijama od 1-5% i temperaturama od 70-90 stupnjeva za čišćenje spremnika, cijevi i opreme od organskog otpada. Električni uronjeni grijači od nehrđajućeg čelika 316 izravno su uronjeni u te alkalne otopine i materijal pokazuje dobru opću otpornost na koroziju zbog stvaranja stabilnog pasivnog premaza. Dva načina kvara, međutim, ugrožavaju cjelovitost cijevi: pucanje od korozije uzrokovano kaustičnim naponom (CSCC) na povišenim temperaturama i lokalizirani napad u prisutnosti klorida koji mogu biti prisutni iz ranijih ciklusa pranja. Debljina plašta utječe i na otpornost na proboj loma i na toplinsku učinkovitost grijanja. Korištenjem empirijskih podataka o koroziji, proračuna prijenosa topline i industrijskih zahtjeva za projektiranje sanitarne opreme, istraživanje određuje potreban raspon debljine stjenke za kaustičnu upotrebu za hranu.

Ponašanje kaustične korozije i zaštitni učinak debljine stijenke

Nehrđajući čelik 316 ima iznimno nisku ujednačenu stopu korozije u čistim kaustičnim otopinama (pH 12-14) na temperaturama ispod 90 stupnjeva, obično manje od 0,02 mm/godišnje. Visoke koncentracije kroma i molibdena održavaju pasivni hidroksidni sloj otporan na otapanje. U teoriji, zid debljine 1,0 mm izdržao bi 50 godina samo pod uniformnim napadima. Pravi rizik je korozijsko pucanje uslijed naprezanja kaustičnim naprezanjem koje zahtijeva istovremenu prisutnost tri uvjeta: osjetljiv materijal (austenitni nehrđajući čelik), visoko vlačno naprezanje (bilo zaostalo od oblikovanja cijevi ili toplinskog ciklusa) i koncentrirano kaustično okruženje (često na granici tekućina-para ili ispod osušenih naslaga). Jednom kada se pokrene, CSCC se širi transgranularno brzinom od 0,1-0,5 mm/godišnje. Ako pukotina raste 0,3 mm/godišnje u grijaćoj cijevi s debljinom stijenke od 1,2 mm, perforirala bi se za 4 godine. Povećanje stijenke na 2,0 mm povećava vrijeme do prodora pukotine na oko šest do sedam godina, uz pretpostavku iste stope rasta pukotine. Značajniji, deblji zidovi nude veći poprečni presjek za raspršivanje vlačnih opterećenja. Preostalo obručno naprezanje od unutarnjeg tlaka je σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t gdje je PP unutarnji tlak, riri​ unutarnji radijus, a tt debljina stijenke. Udvostručenje debljine smanjuje napetost za pola i također smanjuje snagu guranja za razvoj loma. Za tipični zatvoreni grijač s unutarnjim tlakom od 2 bara na radnoj temperaturi, naprezanje obruča je oko 10 MPa za debljinu stijenke od 1,0 mm i samo 5 MPa za debljinu stijenke od 2,0 mm. Takvo ublažavanje stresa uvelike smanjuje vjerojatnost početka CSCC-a. Međutim, projektanti bi trebali biti svjesni da neusklađenost toplinskog širenja između otporne žice, izolacije od magnezijevog oksida i plašta može izazvati dodatna naprezanja koja se ne mogu u potpunosti osloboditi debljim zidovima.

Zahtjevi toplinske učinkovitosti za preradu hrane

Ciklusi pranja s kaustikom za hranu često su vremenski osjetljivi. Kako bi se zadovoljili planovi proizvodnje, spremnik za čišćenje će možda morati dovesti otopinu s 20 stupnjeva na 80 stupnjeva za 30-45 minuta. Deblje stijenke znače sporiji prijenos topline, što dovodi do dužih ciklusa grijanja i veće potrošnje energije. Za cijev od nehrđajućeg čelika 316 vanjskog promjera 12 mm, proširenje stijenke s 1,2 mm na 2,0 mm mijenja omjer toplinskog otpora ln(ro/ri)ln(ro​/ri​) s 0,223 na 0,405, što je povećanje od 82%. Vrijeme zagrijavanja 200 l kaustične kupelji od 20 stupnjeva do 80 stupnjeva pri konstantnoj električnoj snazi ​​od 3 kW povećava se s oko 35 minuta na 55 minuta. Ovo kašnjenje utječe na proizvodni protok i može dovesti do većih grijaćih skupina ili dužih razdoblja ciklusa. Također, povišene temperature plašta zbog debljih stijenki mogu rezultirati lokaliziranim vrenjem vode u blizini površine cijevi, koncentriranjem kaustičnih soli i pružanjem samih okolnosti koje pokreću CSCC. Sa stijenkom od 2,0 mm temperatura omotača bit će veća od 115 stupnjeva, a sa stijenkom od 1,2 mm približavat će se 95 stupnjeva pri 5 W/cm 2 u kaustičkoj otopini od 80 stupnjeva. Lokalizirano filmsko ključanje može se pojaviti kada temperatura prijeđe 100 stupnjeva, što povećava rizik od kaustične koncentracije na granici para-tekućina. Dakle, cijena topline debljih stijenki nije samo pitanje učinkovitosti – ona izravno utječe na rizik od korozije.

Na temelju scenarija- Vodič za odabir rješenja za nagrizajuće ispiranje

Donja tablica daje preporučene debljine plašta za uronjene grijače od nehrđajućeg čelika 316 u kaustičnoj upotrebi za hranu, na temelju koncentracije otopine, radne temperature i broja toplinskih ciklusa po danu.

Radni uvjeti i radni ciklus Preporučena debljina stijenke Toplinska i korozijska zamjena- 1-2 % NaOH, 70-80 stupnjeva, 1-2 ciklusa/dan, 5 godina vijeka trajanja 1,5 mm Minimalna ravnomjerna korozija. Blagi CSCC rizik. 1.5 mm dopušta razvoj pukotine od 0,75 mm @ 0,15 mm/god. Umjerena kazna prijenosa topline (40% u odnosu na . 1.0 mm).
3–5% KOH, 80–90 stupnjeva, 3–4 ciklusa/dan, 7-godišnji život 2,0 mm Viša temperatura povećava rizik od CSCC 2,0 mm smanjuje naprezanje obruča za 40 % u odnosu na . 1.2 mm, pruža prepreku probijanju loma. Grupa grijača je prevelika. Vrijeme zagrijavanja 50-60 % duže.
5 % NaOH s povremenim kloridima (od ispiranja), 85 stupnjeva, 2 godine života 2,5 mm Kloridi u kaustiku povećavaju piting i CSCC. Debela stijenka za dodatak koroziji (dubina jame 0,2-0,3 mm/godišnje). Toplinska kazna teška (100%+). Provjerite je li vrijeme zagrijavanja još uvijek razumno.
Bilo koja koncentracija, potpuno ispražnjena nakon svakog ciklusa, povremena upotreba nagrizajućeg sredstva (jednom tjedno) 1,2-1,5 mm Sušenje i isušivanje uklanja nagrizajući sloj, uklanjajući rizik od CSCC-a tijekom-razdoblja isključenja. Poželjan tanki zid za brzo zagrijavanje-. Dovoljna je standardna debljina sanitarne grijalice.
Ostali komplementarni čimbenici dizajna osim debljine stijenke

Sama debljina stijenke nikada ne bi trebala biti razmatranje dizajna za kaustičnu upotrebu. Četiri komplementarne mjere znatno produžuju životni vijek cijevi, a istovremeno omogućuju tanju i toplinski učinkovitiju stijenku. Prvo, otopina za žarenje za ublažavanje naprezanja - koja žari grijač nakon savijanja ili zavarivanja smanjuje zaostala vlačna naprezanja ispod 150 MPa, smanjujući komponentu naprezanja potrebnu za CSCC. Stjenka od 1,5 mm bez naprezanja često radi kao nežarena stijenka od 2,5 mm u kaustičnim uvjetima. Drugo, ograničenje gustoće vata - zadržavanje površinske gustoće vata<6 W/cm² limits sheath to liquid temperature difference to <20 °C and avoids localised boiling and caustic concentration. Third, the immersion depth - keeping the hot part completely covered eliminates the liquid-vapor contact, which is the most prevalent source of CSCC start. Fourth, periodic acid cleaning. Removal of dried caustic deposits by means of a dilute citric or phosphoric acid rinse will avoid the creation of concentrated caustic coatings that promote cracking. Proper grounding and cold end sealing finally guard against galvanic corrosion at the tank entrance point, a feature that is often missed yet contributes a substantial amount to premature failures.

Zaključak: Potrebno je odrediti debljinu za pouzdanu upotrebu kaustika

The choice of sheath thickness for 316 stainless steel immersion heaters in food-grade caustic wash solutions is a trade-off between resistance to fracture propagation and thermal efficiency. For most continuous or daily cycle services using 2 to 4% caustic at 80 to 85°C, a thickness of 1.8 to 2.0 mm provides a service life of seven years with heat transfer penalties of less than 60%. If chlorides are present or the temperature is high (>90 stupnjeva), isto treba povećati na 2,5 mm. Dizajneri bi također trebali specificirati žarenje za ublažavanje naprezanja i manju gustoću vata. Za povremenu uporabu, s grijačem koji se ispušta i čisti nakon svake uporabe, normalna sanitarna debljina od 1,2-1,5 mm sasvim je odgovarajuća, budući da se kaustični film ne može koncentrirati. Kada pišete kupovnu specifikaciju, uvijek navedite maksimalnu radnu temperaturu, raspon koncentracije kaustične kiseline, učestalost dnevnog ciklusa i bilo kakvu izloženost kloridima iz prethodnih procesa. Ovo pretvara osnovnu dimenzionalnu potrebu u potpunu-specifikaciju upravljanja korozijom koja izričito povezuje debljinu stjenke sa sigurnošću i učinkovitošću proizvodnje u alkalnim uvjetima za hranu.