Koja je potvrđena debljina plašta za grijače od nehrđajućeg čelika 316 u 25% otopini amonijevog nitrata na 110 stupnjeva s tlakom od 3 bara i bez klorida

Usluga oksidirajućeg gnojiva: temeljni kompromis-

25% otopina amonijevog nitrata (NH₄NO3) uobičajeni je posrednik u proizvodnji gnojiva i kao tekućina za prijenos topline u nekim industrijskim operacijama. Atmosfera je jako oksidirajuća na 110°C i tlaku od 3 bara zbog prisutnosti nitratnog iona koji je katodni inhibitor i zapravo pasivizira nehrđajući čelik 316. Rupičasta mrlja je glavna briga kada se koriste otopine koje sadrže klorid. U slučaju amonijevog nitrata treba biti svjestan dva različita mehanizma kvara: pucanje uslijed korozije pod naponom u koncentriranim otopinama nitrata i opća korozija ako pH odluta izvan stabilnog raspona. Bez klorida odluka o debljini puno je lakša. Za ovu funkciju, potvrđena debljina plašta određena je mehaničkom cjelovitošću, ravnomjernim dopuštenjem za koroziju i otpornošću na pucanje izazvano-nitratima. Toplinska učinkovitost je manji, ali važan faktor.

Elektrokemijsko ponašanje u otopinama NO3

Nitratni ion je vrlo jak oksidacijski agens i štiti pasivni film na nehrđajućem čeliku 316 u širokom rasponu temperatura i koncentracija. Potencijal korozije u 25% amonijevom nitratu na 110°C u prosjeku je između +200 i +400 mV u usporedbi sa srebrnom-srebrno-kloridnom referentnom elektrodom i dobro je unutar pasivnog područja. Ujednačena stopa korozije u takvim okruženjima je vrlo niska, reda veličine 0,002-0,008 mm godišnje na temelju studija gubitka težine opreme koja se koristi u poslovanju s gnojivima. Uniformno dopuštenje korozije za deset godina je 0,02-0,08 mm za zidni grijač od 1,2 mm, a čvrsti metal je veći od 1,1 mm. U ovoj primjeni, debljina nije uvjetovana ravnomjernom korozijom. Pasivni film je stabilan ako je pH otopine između 4 i 9. Amonijev ion je slaba kiselina, stoga otopine amonijevog nitrata prirodno imaju pH u rasponu od 5-6, što je stabilan pH raspon. Brzina korozije može se povećati ako se otopina kontaminira kiselinom (zbog poremećaja u prethodnom procesu) ili lužinom (zbog sredstava za čišćenje). Međutim, takvi poremećaji obično su kratkotrajni i ne zahtijevaju veliku količinu korozije.

Rizik od pucanja uslijed korozije uslijed naprezanja nitrata

Pucanje uslijed korozije uslijed naprezanja (SCC) glavna je briga za nehrđajući čelik 316 u vrućim otopinama amonijevog nitrata. Nitratni SCC široko je poznat za austenitne nehrđajuće čelike, a osjetljivost se povećava s temperaturom i koncentracijom nitrata. Na 110°C i 25% amonijevog nitrata, rizik od SCC je umjeren, ali nije zanemariv. Presudni čimbenici za iniciranje SCC-a su vlačno naprezanje (od proizvodnje ili pritiska) i postojanje koncentriranog nitratnog premaza na površini. Nitratni SCC može se razviti u širokom rasponu potencijala, dok se kloridni SCC pojavljuje pri određenim potencijalima. Brzina širenja pukotine nitratnog SCC-a u nehrđajućem čeliku 316 na 110°C općenito je 0,05-0,2 mm/godina nakon inicijacije. Temeljna briga za plašt grijača su zaostala vlačna naprezanja od izvlačenja i savijanja cijevi. Općenito, što je manja debljina stijenke, niži su zaostali naponi, jer je potrebno manje hladnog rada za postizanje konačne dimenzije. Izvučena cijev od 1,2 mm obično sadrži zaostala obručna naprezanja od 50-100 MPa, dok cijev od 2,0 mm može imati 80-150 MPa. Deblja stijenka ima veće zaostalo naprezanje, što povećava vjerojatnost inicijacije SCC-a. Stvarno iskustvo na terenu s isparivačima amonijevog nitrata pokazalo je da grijači od nehrđajućeg čelika 316 tankih-stjenki (1,2-1,5 mm) traju duže od grijača debelih stijenki (2,0-2,5 mm) na dosljednoj osnovi. Analiza kvarova je pokazala da kvarove debelih stijenki uzrokuje SCC, dok tanke stijenke kvare zbog drugih uzroka koji nisu korozijski nakon produžene upotrebe.

Zadržavanje tlaka - 3 bar

Pri tlaku sustava od 3 bara zahtjev za naprezanjem obruča prilično je mali. Za cijev s OD=12 mm i stijenkom=1.2 mm, obručno naprezanje je 0,3 MPa x 4,8 mm / 1,2 mm=1.2 MPa. Za zid od 2,0 mm naprezanje je 0,3 MPa x 4,0 mm/2,0 mm=0.6 MPa. Oba su mala u usporedbi s granicom razvlačenja od 170 MPa. Debljina tlačne komore ne mora biti posebna. Ali grijač mora biti dovoljno mehanički robustan da izdrži moment ugradnje na navojnim spojevima. Za pouzdano spajanje potrebna vam je minimalna debljina spoja navoja od 1,0-1,2 mm. Manje od 1,0 mm, rizik od skidanja ili izobličenja navoja znatno se povećava, osobito kod grijača većeg promjera.

Potrebe procesnog grijanja i toplinska učinkovitost

Toplinska vodljivost otopina amonijevog nitrata usporediva je s vodom, tj. . 0.60-0.65 W/m K na 110°C. Koeficijent konvektivnog prijenosa topline za turbulentno strujanje je 1000-2000 W/m²·K ovisno o brzini. Toplinska otpornost plašta je oko 0,0004 m²·K/W za debljinu stijenke od 1,2 mm i 0,0007 m²·K/W za debljinu stijenke od 2,0 mm. Ova razlika odgovara razlici temperature plašta od 3-4°C pri gustoći vata od 10 W/cm² (uobičajeno za cirkulacijske grijače). Za proces koji je osjetljiv na lokalno pregrijavanje, ključno je održavati temperaturu plašta što je moguće nižom. Amonijev nitrat može se egzotermno razgraditi iznad 180°C. Stijenka od 1,2 mm zagrijava otopinu na 110°C pri 10 W/cm² na oko 125-130°C na površini omotača. Stijenka od 2,0 mm radi na 128-134 stupnja. Temperatura raspadanja amonijevog nitrata je oko 200 stupnjeva. Oba su ipak mnogo niža i toplinska razlika nije sigurnosno značajna. Međutim, tanji zid je malo bolji za energetsku učinkovitost.

Potvrđene smjernice za debljinu iz iskustva u industriji

Sektor gnojiva ima veliko radno iskustvo s opremom od nehrđajućeg čelika 316 u servisu za amonijev nitrat. Uranjajući i cirkulacijski grijači imaju dokazani raspon debljine plašta od 1,2-1,6 mm za dugotrajnu pouzdanost. Korištenje tanjih stijenki ispod 1,0 mm sprječavaju problemi mehaničkog rukovanja. Deblje stijenke iznad 1,8 mm također se izbjegavaju jer pokazuju veće zaostalo naprezanje i veću vjerojatnost kvara SCC. Unutar dokazanog raspona, 1,4-1,5 mm smatra se najboljim kompromisom, dovoljno debelim za mehaničku čvrstoću i umjerenu dopuštenu koroziju, ali dovoljno tankim da minimizira preostalo naprezanje i SCC rizik. Za projektirani životni vijek od 10 godina u 25% amonijevom nitratu na 110°C i tlaku od 3 bara bez prisutnih klorida, debljina stijenke od 1,4 mm je potpuno odgovarajuća. Objekti s dobrim standardima rukovanja također mogu koristiti stijenku od 1,2 mm. Stjenka od 1,6 mm daje dodatnu mehaničku granicu, ali nema prednosti u odnosu na koroziju ili SCC u odnosu na 1,4 mm.

Deblji zidovi koji su zapravo gori

Deblje stijenke nisu potrebne u radu s amonijevim nitratom i mogu biti opasne. Povećana zaostala naprezanja koja proizlaze iz proizvodnje debljih cijevi povećavaju pokretačku silu za početak SCC. Kada se pukotina razvije, deblja stijenka ima više materijala za lomljenje, no stopa rasta pukotine ne ovisi o debljini. Zid debljine 2,0 mm s rastom pukotine od 0,1 mm godišnje trebat će 20 godina da se probuši, a zidu debljine 1,2 mm trebat će 12 godina. Ali deblji zid ima veći rizik od nastanka pukotina. Podaci s terena iz tvornica amonijevog nitrata pokazuju da grijači sa stijenkama od 2,0-2,5 mm otkazuju zbog SCC-a za 3-6 godina, dok grijači sa stijenkama od 1,2-1,5 mm iz istog postrojenja rade 8-12 godina i često otkazuju zbog degradacije električne izolacije, a ne zbog perforacije plašta. Dokazani rezultat je da su tanje stijenke superiorne u nitratnim SCC situacijama zbog smanjenih zaostalih naprezanja.

Usporedba provjerenih izbora debljine

Preostalo obručno naprezanje Vjerojatnost inicijacije SCC-a Debljina plašta Ujednačeno dopuštenje korozije (10 godina) Mehanička otpornost Dokazani radni vijek na terenu
1,0 mm 40-80 MPa Nisko 0,02-0,08 mm Marginalno 8-10 godina (ovisi o rukovanju)
1,2 mm 50-90 MPa Nizak 0,02-0,08 mm Prikladan 10-12 godina
1,4 mm 60-100 Mpa Nisko-umjereno 0,02-0,08 mm Dobro 10-12 godina (bolje)
1,6 mm 70-110 MPa Srednje 0,02-0,08 mm8-10 godina Vrlo dobro
2,0 mm 90-140 MPa Umjereno-Visoko 0,02-0,08 mm Izvrsno 5-7 godina (SCC-ograničeno)
2,5 mm 110-160 MPa Visoko 0,02-0,08 mm Izvrsno 3-5 godina (SCC-ograničeno)
Zaključak: Debljina potvrđena za dugoročnu pouzdanost

316 grijači od nehrđajućeg čelika u 25% otopini amonijevog nitrata na 110°C s tlakom od 3 bara bez klorida, dokazani raspon debljine plašta je između 1,2-1,6 mm pri čemu je 1,4-1,5 mm prikladno za većinu instalacija. S gledišta korozije prihvatljive su tanje stijenke ispod 1,2 mm, ali postoji opasnost od mehaničkog oštećenja tijekom postavljanja i čišćenja. Deblje stijenke iznad 1,6 mm sadrže veća zaostala naprezanja koja povećavaju opasnost od pucanja uslijed korozije uslijed nitratnog naprezanja i stoga imaju kraći životni vijek, čak i s većom količinom metala. To je suprotno općoj inženjerskoj pretpostavci da je u ovom okruženju deblji uvijek bolji za otpornost na koroziju. To je zbog činjenice da glavni mehanizam sloma (SCC) pokreće zaostalo naprezanje, koje se povećava s debljinom. Inženjeri koji odabiru grijač za rad s amonijevim nitratom trebaju navesti maksimalno dopušteno zaostalo naprezanje (obično 100 MPa) umjesto minimalne debljine. Ovo jamči da proizvođač koristi pravilno žarenu cijev s malim zaostalim naprezanjem, koje je značajnije od apsolutne debljine stijenke. Većina primjena može se specificirati s 1,4-1,5 mm u stanju žarenja u otopini kako bi se osigurala potvrđena kombinacija mehaničke robusnosti, otpornosti na SCC i toplinske učinkovitosti za desetogodišnji radni vijek.