Koja je potvrđena debljina plašta za protočne grijače od nehrđajućeg čelika 316 u 50% propilen glikolu s 2000 ppm klorida pri 90 stupnjeva i uvjetima slabog protoka

Osnovni kompromis-u inhibiciji glikola s onečišćenjem kloridom

Propilen glikol (PG) je odabrana tekućina za prijenos topline u preradi hrane, farmaceutskoj proizvodnji i primjeni piva gdje je toksičnost etilen glikola neprihvatljiva. 50% PG otopina u vodi daje dobru zaštitu od smrzavanja do oko -35 C i također djeluje kao inhibitor korozije kada se pravilno pripremi. Međutim, u industrijskim PG krugovima kloridi imaju tendenciju dospjeti u krug iz brojnih izvora kao što su zaostala sredstva za čišćenje, infiltracija vode iz rashladnog tornja kroz izmjenjivače topline ili korištenje obične (neomekšane) vode za dopunu. PG gubi zaštitu od korozije na razinama od 2000 ppm klorida, što je razina koja se normalno promatra u sustavima koji se loše održavaju ili sustavima s curenjem morske vode. Pri radnoj temperaturi od 90 stupnjeva i uvjetima malog protoka koji pogoduju stagnaciji graničnog sloja, nehrđajući čelik 316 izložen je značajnom riziku od rupičaste i pukotinske korozije. U ovoj primjeni, debljina plašta nije jednostavan izračun dopuštene korozije, već vježba provjere da se pokaže da odabrani zid može izdržati kombinirani napad klorida, povišene temperature i smanjenog prijenosa topline zbog niskog protoka.

Mehanizam pittinga izazvanog kloridom u otopinama propilen glikola

2000 ppm klorida u 50 % otopini propilen glikola na 90 stupnjeva je agresivno okruženje za pasivni film na nehrđajućem čeliku 316. Propilenglikol sam po sebi slabo inhibira, no njegov mehanizam inhibicije ovisi o adsorpciji molekule glikola na metalnu površinu. Na 90 stupnjeva adsorbirani sloj je manje učinkovit zbog toplinskog kretanja. Kloridni ioni vrlo su mobilni i sićušni te se natječu za mjesta na površini i uzrokuju rupičastu pojavu na slabim mjestima kao što su sulfidni uključci ili ogrebotine na površini nakon probijanja pasivnog premaza. Kritična temperatura pitinga nehrđajućeg čelika 316 u otopini klorida od 2000 ppm je oko 50-60 stupnjeva samo u vodi. Prisutnost glikola inhibitora podiže kritičnu temperaturu pitinga u 50 % propilen glikolu za oko 10-15 stupnjeva na oko 65-75 stupnjeva. Radna temperatura je 90 stupnjeva i sustav stoga radi iznad kritične temperature pittinga, tako da pitanje inicijacije pitiranja nije "ako" nego "kada". Nakon što se jamica formira, stopa njezina rasta može se predvidjeti logaritamskim ili linearnim trendom ovisno o dostupnosti kisika i otpornosti otopine. Objavljeni rezultati za nehrđajući čelik 316 u glikolu onečišćenom kloridom na 90 stupnjeva otkrivaju stope rasta jama od 0,2 – 0,6 mm/godišnje za prozračene uvjete. Rov koji se širi brzinom od 0,4 mm/godišnje probio bi zid debljine 1,5 mm za 3,75 godina za grijač s očekivanim radnim vremenom od 5000 sati godišnje (oko 60 % opterećenja). Stjenka od 2,0 mm produžila bi to na 5 godina. Međutim, ti se izračuni temelje na jednoj jami, dok se zapravo pokreće više jama, a kvar kontrolira najdublja.

Učinci uvjeta niskog protoka na koroziju i njezino pojačanje

Za ovu primjenu, uvjeti slabog protoka su posebno štetni jer dopuštaju da granični sloj na površini plašta postane prezasićen produktima korozije i kloridnim ionima. Konvekcija klorida od površine je jako ograničena za brzine protoka manje od 0,5 m/sek. Sadržaj klorida na metalnoj površini može biti pet ili deset puta veći od onog u masi i tako uvelike smanjuje potencijal rupičaste mrlje. Nizak protok također pogoduje djelomičnom vrenju ili filmskom vrenju na površini omotača kada je toplinski tok jak. Stvaranje i kolaps mjehurića mehanički degradira pasivni sloj i stvara lokalno koncentrirane otopine klorida u tankom tekućem filmu ispod mjehurića. Ovaj mehanizam dovodi do karakterističnog uzorka "rupičastog prstena" koji se opaža oko mjesta nukleacije mjehurića na pokvarenim grijačima. Na primjer, za protočni grijač izrađen od nehrđajućeg čelika 316 koji se koristi pri temperaturi mase od 90 stupnjeva i gustoći plašta od 7-8 W/cm2, površinska temperatura graničnog sloja može biti viša od 110-120 stupnjeva čak i pri uvjetima niskog protoka. Na ovim temperaturama kritični prag pittinga je uvelike premašen i brzina širenja pittinga može biti 1-2 mm/godišnje. Provjerena debljina stoga mora uzeti u obzir ne samo koncentraciju i temperaturu masovnog klorida, već i lokalizirani učinak pojačanja niskog protoka. Debljina koja se čini dovoljnom u masovnim postavkama mogla bi se pokvariti u roku od nekoliko mjeseci kada je protok ispod 0,3 m/s.

Toplinsko hidrauličke interakcije koje ograničavaju maksimalnu debljinu

Međudjelovanje debljine stjenke, prijenosa topline i niskog protoka nameće dodatno ograničenje maksimalne izvedive debljine plašta. Povećanjem debljine stijenke raste toplinski otpor što povećava temperaturu površine plašta za istu utrošenu električnu snagu. Pri niskom protoku, konvektivni koeficijent prijenosa topline već je smanjen-obično 300–600 W/m²·K pri 0,3 m/s u usporedbi s 1500–2500 W/m²·K pri 2 m/s. Deblji zid povećava vodljivi otpor u lošem konvektivnom scenariju. Povećanje debljine stijenke cijevi vanjskog promjera 12 mm u 50 % PG, na 90 stupnjeva i uz brzinu protoka od 0,3 m/s s 1,2 mm na 2,0 mm povećava temperaturu omotača s ~125 stupnjeva na 155 stupnjeva pri gustoći vata od 7 W/cm2. Porast temperature od 30 stupnjeva rezultira 3 do 5 puta povećanjem stope pittinga klorida nakon Arrheniusovog ponašanja. Deblja stijenka, koja bi trebala omogućiti zaštitu od korozije, umjesto toga čini napad udubljenja tako brzim da neto vijek trajanja može biti kraći nego kod tanje, hladnije stijenke. Ova-povratna sprega koja se samoporažava znači da u sustavima s-niskim-protokom, visokim-kloridnim glikolom postoji optimalan raspon debljine izvan kojeg više metala smanjuje životni vijek umjesto da ga produžuje. Potvrđeni terenski podaci za cirkulacijske grijače u pivovarama i prehrambenoj industriji pokazuju da je optimum između 1,4 i 1,8 mm za većinu 50 % PG sustava s onečišćenjem kloridom.

Potvrđene preporuke za debljinu za različite režime protoka

Tamo gdje se može osigurati da je brzina protoka uvijek veća od 1,0 m/s, debljina od 1,5-1,7 mm daje pouzdanu uslugu tijekom pet godina u prisutnosti 2000 ppm klorida. Umjerena debljina održava temperaturu omotača ispod 120 stupnjeva pri normalnim gustoćama vata, a turbulentno strujanje sprječava koncentraciju klorida na površini. Minimalna potvrđena debljina postaje 1,8-2,0 mm za sustave s povremenim protokom ili gdje protok može postati manji od 0,5 m/s u nekim radnim fazama. Ovaj dodatni metal ne služi toliko za zaštitu od korozije koliko za podnošenje brzog pitinga koji se javlja tijekom događaja niskog protoka. Međutim, za stijenku od 2,0 mm, gustoća vata mora biti ograničena na 5-6 W/cm2 kako bi se temperatura plašta održala ispod 135 stupnjeva pri niskom protoku. U slučaju da nije moguće smanjiti gustoću vata zbog ograničenja prostora ili kapaciteta grijanja, debljina se mora ograničiti na 1,5–1,6 mm kako bi se spriječilo toplinsko ubrzanje korozije, a vlasnik sustava mora prihvatiti skraćeni radni vijek od tri do četiri godine. 316 nehrđajući metal se ne preporučuje za sustave u kojima protok može potpuno stagnirati (nula brzina) tijekom ciklusa grijanja, bez obzira na debljinu. Pod stagnirajućim uvjetima lokalizirano ključanje je neizbježno, a visoka površinska temperatura, sadržaj klorida i mehaničko djelovanje mjehurića probit će se kroz bilo koju praktičnu debljinu u roku od jedne do dvije godine. U takvim okolnostima treba odrediti titanski omotač ili grijač od Incoloya 825.

Provjera putem ispitivanja korozije i terenskih podataka

Tri izvora dokaza koji podupiru gornje preporuke za debljinu su: Dubine pitinga od 0,2–0,3 mm/godina uočene su u ispitivanjima miješanjem (veliki protok) i 0,5–0,8 mm/godišnje u ispitivanjima bez miješanja (niski protok) tijekom laboratorijskog ispitivanja uranjanjem 316 kupona od nehrđajućeg čelika u 50 % PG s 2000 ppm NaCl na 90 stupnjeva. Drugo, terenske inspekcije cirkulacijskih grijača koji su povučeni iz upotrebe nakon tri do pet godina u petljama glikola u prehrambenim postrojenjima gdje su zabilježene razine klorida od 1500-2500 ppm pokazuju da jedinice sa stijenkama od 1,5-1,6 mm i turbulentnim protokom imaju maksimalnu dubinu jame od 0,4-0,7 mm ostavljajući dovoljno zaostale stijenke. Jedinice sa stijenkama od 2,0-2,2 mm i slabim protokom imaju dubinu udubljenja od 0,8-1,2 mm ne zbog manje otpornog materijala, već zato što je povećana debljina stijenke povećala površinsku temperaturu i ubrzala napad. Treće, elektrokemijska polarizacijska skeniranja nehrđajućeg čelika 316 u PG kontaminiranom kloridom na 80-100 stupnjeva pokazuju da potencijal pitinga naglo pada iznad 100 stupnjeva, što potvrđuje da je održavanje temperature plašta ispod ovog praga važnije od povećanja debljine.

Zaključak: Provjereni raspon debljina za pouzdanu uslugu

Validirani raspon za određivanje debljine plašta za protočne grijače od nehrđajućeg čelika 316 u 50% propilen glikola s 2000 ppm klorida pri 90 stupnjeva pri uvjetima niskog protoka potreban je za uravnoteženje otpora na piting i toplinskog ubrzanja. Za sustave dobrog dizajna, s brzinama protoka od 1,0 m/s i gustoćom u vatima od 6-8 W/cm2, debljina od 1,5-1,7 mm daje potvrđeni vijek trajanja od 5 godina. Za sustave s normalnom radnom brzinom protoka ispod 0,5 m/s, debljinu treba povećati na 1,8-2,0 mm, ali samo ako se gustoća vata istovremeno smanji na 5-6 W/cm². Nijedan sustav u kojem može doći do stagnacije protoka nije prihvatljiv za nehrđajući čelik 316, bez obzira na njegovu debljinu. Inženjeri koji specificiraju grijač za ovo teško okruženje moraju specificirati ne samo debljinu stjenke, već i najnižu dopuštenu brzinu protoka, maksimalnu gustoću u vatima i metodu provjere (ispitivanje kuponom ili elektrokemijski nadzor) koju treba slijediti tijekom servisa. Ovo mijenja osnovni dimenzionalni zahtjev u validiranu tehniku ​​upravljanja korozijom koja izravno povezuje debljinu stijenke s otpornošću na točku i toplinskom učinkom u glikolnim sustavima kontaminiranim kloridom.