ความหนาของเปลือกที่สมเหตุสมผลทางวิทยาศาสตร์สำหรับเครื่องทำความร้อนหมุนเวียนสแตนเลส 316 ในสารละลายน้ำโมโนเอทิลีนไกลคอล 20% ที่ 110 องศา ต่ำกว่าแรงดัน 4 บาร์คือเท่าใด

การแลกเปลี่ยนขั้นพื้นฐาน-ในลูปไกลคอลที่มีแรงดัน

ระบบทำความร้อนแบบวงปิดที่ใช้โมโนเอทิลีนไกลคอล (MEG)- ถูกใช้เป็นของเหลวถ่ายเทความร้อนที่มีการป้องกันการแช่แข็งในแพลตฟอร์มนอกชายฝั่ง การติดตั้งระบบระบายความร้อนด้วยแสงอาทิตย์ และระบบทำความร้อนในกระบวนการทางอุตสาหกรรม ซึ่งมีอุณหภูมิโดยรอบต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง สารละลาย MEG 20% ในน้ำช่วยป้องกันการระเบิดเหลือประมาณ -8 องศา โดยมีความหนืดและความจุความร้อนที่เหมาะสม เครื่องทำความร้อนแบบหมุนเวียนสแตนเลส 316 ในสารละลายดังกล่าวที่ 110 องศาและแรงดันระบบ 4 บาร์ อยู่ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงปานกลาง แต่โดยทั่วไปสามารถใช้งานได้ สารละลายไกลคอลจะถูกออกซิไดซ์อย่างช้าๆ เพื่อสร้างกรดอินทรีย์ (กรดไกลคอลลิกและออกซาลิก) ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งจะลดค่า pH จากเป็นกลางเหลือประมาณ 5–6 ในช่วงเวลาหนึ่ง ออกซิเจนในการเติมเริ่มต้นยังอาจส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนเฉพาะจุดจนกระทั่งมันถูกใช้โดยการทำปฏิกิริยากับไกลคอลหรือถูกไล่ออกผ่านถังขยายตัว ในการใช้งานนี้ ความหนาของปลอกไม่ได้เกี่ยวกับการคงอยู่ของอัตราการกัดกร่อนที่สูง แต่เกี่ยวกับการควบคุมสมดุลเล็กน้อยระหว่างความสมบูรณ์ของแรงดัน ประสิทธิภาพเชิงความร้อน และความต้านทานในระยะยาวต่อการย่อยสลายแบบก้าวหน้าซึ่งเกิดขึ้นตลอดหลายปีของการทำงานต่อเนื่อง

ข้อกำหนดขั้นต่ำของผนังโครงสร้างและภาชนะรับแรงดัน

ความเค้นแบบห่วงในปลอกเครื่องทำความร้อนแบบหมุนเวียนค่อนข้างน้อยที่แรงดันใช้งาน 4 บาร์ สำหรับท่อทั่วไปที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 12 มม. และความหนาของผนัง 1.2 มม. สามารถคำนวณความเค้นบนพื้นผิวด้านในภายใต้แรงกดได้โดยใช้สูตรกระบอกสูบผนังบาง- σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t โดยที่ PP คือความดันเกจ ( 4 บาร์หรือ 0.4 MPa ) , riri​ คือรัศมีภายใน ( ~4.8 มม. สำหรับผนัง 1.2 มม. ) และ tt คือความหนาของผนัง สิ่งนี้ทำให้เกิดความเค้นแบบห่วงประมาณ 1.6 MPa ซึ่งไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับความแข็งแรงของผลผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ที่ประมาณ 200 MPa ที่อุณหภูมิห้อง และ 150 MPa ที่ 110 องศา ด้วยปัจจัยด้านความปลอดภัยที่ 5 ผนัง 0.5 มม. จะรับแรงกดในทางทฤษฎีได้ อย่างไรก็ตาม รหัสสำหรับภาชนะรับแรงดัน เช่น ASME Boiler และ Pressure Vessel Code จะกำหนดความหนาของผนังขั้นต่ำสำหรับความแข็งแรงทางกล การพันของเกลียว และค่าเผื่อการกัดกร่อน เปลือกของเครื่องทำความร้อนแบบหมุนเวียนที่มีการเชื่อมต่อแบบเกลียวหรือแบบหน้าแปลนจะต้องสามารถทนต่อแรงดันภายในไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงแรงบิดและแรงกดดันในการติดตั้งจากการขยายตัวทางความร้อนด้วย มีความหนาของผนัง<1.0 mm may risk thread stripping or tube collapse upon assembly. Thus the minimal structural thickness for a 316 stainless steel circulation heater in a 4 bar glycol service is in the region of 1.0-1.2 mm. This thickness is driven more by mechanical handling and connection integrity than by pressure containment.

ค่าเผื่อการกัดกร่อนและการย่อยสลายไกลคอล – ระยะยาว

ในสารละลาย MEG ร้อน ความเสี่ยงหลักในการกัดกร่อนคือการสะสมกรดอินทรีย์อย่างช้าๆ ผ่านการออกซิเดชันด้วยความร้อน ในที่ที่มีออกซิเจนละลายน้ำ ซึ่งมักจะเกิดขึ้นเสมอสำหรับลูปที่เพิ่งเติมหรือกำจัดอากาศไม่ดี ไกลคอลจะสลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 90 องศาเพื่อสร้างกรดไกลคอลลิก กรดออกซาลิก และกรดฟอร์มิก กรดเหล่านี้สามารถทำลายฟิล์มพาสซีฟบนสแตนเลส 316 และลดค่า pH ได้ การทดสอบในห้องปฏิบัติการของเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ใน MEG 25 % ที่ 110 องศาภายใต้สภาวะที่มีการเติมอากาศ เผยให้เห็นอัตราการกัดกร่อนที่สม่ำเสมอที่ 0.02 ถึง 0.05 มม. ต่อปี โดยมีอัตราที่สูงกว่าเล็กน้อย (0.05 ถึง 0.10 มม. ต่อปี) ใกล้กับบริเวณส่วนต่อประสานไอของของเหลว-ซึ่งมีความเข้มข้นของออกซิเจนสูงที่สุด ดังนั้นค่าเผื่อการกัดกร่อน 0.5–1.0 มม. ในช่วงอายุการใช้งานสิบปีจึงเป็นเรื่องที่รอบคอบ ในเวลานั้น ผนังขนาด 1.2 มม. จะสูญเสียไปประมาณ 0.2-0.5 มม. ทำให้เหลือ 0.7-1.0 มม. ซึ่งยังคงมีโครงสร้างเพียงพอ แต่มีระยะขอบเล็กน้อยสำหรับเหตุการณ์ฉุกเฉิน เช่น การซึมผ่านของอากาศหรือภาวะโลกร้อนเฉพาะจุด ผนังหนา 1.5–1.8 มม. ให้ค่าเผื่อการกัดกร่อนที่สะดวกสบายยิ่งขึ้น ในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพเชิงความร้อน ที่ร้ายกาจกว่านั้นคือความเป็นไปได้ที่รอยแยกจะโจมตีที่หน้าแปลนที่มีปะเก็นหรืออยู่ใต้คราบตะกรัน ผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวของไกลคอลสามารถโพลิเมอไรเซชันไปเป็นคราบเหนียวซึ่งกักเก็บของเหลวที่เป็นกรดไว้บนพื้นผิวโลหะ ในรอยแตกดังกล่าว ค่า pH ในพื้นที่สามารถลดลงเหลือ 3-4 และอัตราการกัดกร่อนอาจสูงถึง 0.2-0.5 มม. ต่อปี ความหนาของผนังเพิ่มเติมทำให้มีความปลอดภัยมากขึ้นจากความลึกของรอยแยกที่ไม่แน่นอน

ประสิทธิภาพเชิงความร้อนและผลกระทบของความหนาของผนังต่อการให้ความร้อนไกลคอล

Monoethylene glycol solutions have a lower thermal conductivity and a higher viscosity than water that further decreases the heat transmission from the sheath to the fluid. This difficulty is compounded by a thick wall of stainless steel. The convective heat transfer coefficient for 20 % MEG at 110 C is in the range of 800-1200 W/m2-K for turbulent flow (Re>4000) ซึ่งน้อยกว่านั้นสำหรับน้ำซึ่งมีขนาด 1500-2500 W/m2-K ดังนั้นความต้านทานความร้อนของเปลือกจึงเป็นส่วนที่สูงกว่าของวงจรความร้อนทั้งหมดมากกว่าที่จะอยู่ในน้ำ การเพิ่มความหนาของผนังเป็นสองเท่าของท่อเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 12 มม. จาก 1.2 มม. เป็น 1.8 มม. จะเพิ่มความต้านทานการนำไฟฟ้าประมาณ 50 % และลดอัตราการถ่ายเทความร้อนโดยรวมลง 15-20 % ภายใต้การตั้งค่าปั๊มเดียวกัน ผนังที่หนากว่านั้นต้องการอุณหภูมิพื้นผิวของเปลือกที่สูงกว่าสำหรับกำลังไฟฟ้าที่เท่ากัน ความหนาแน่นวัตต์สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบหมุนเวียนโดยทั่วไปอยู่ที่ 8-10 วัตต์/ซม.2 บนพื้นผิวของปลอก ผนังหนา 1.2 มม. ในสารละลาย MEG 110 องศา อาจรักษาอุณหภูมิของเปลือกไว้ที่ 135-140 องศา ผนัง 1.8 มม. จะอยู่ในช่วง 155-165C ออกซิเดชันของไกลคอลจะถูกเร่งอย่างมากที่อุณหภูมิสูงกว่า 150 องศา อัตราการสลายตัวของไกลคอลประมาณสองเท่าสำหรับทุก ๆ 10oC เพิ่มขึ้นที่สูงกว่า 120oC ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ผนังที่หนาขึ้นเพื่อให้ค่าเผื่อการกัดกร่อนได้ แต่ผนังที่หนากว่าสามารถเพิ่มอุณหภูมิเฉพาะที่บริเวณส่วนต่อประสานของเปลือกของเหลวได้ ดังนั้นจึงเป็นการเร่งการกัดกร่อนโดยอ้อมซึ่งตั้งใจจะต้านทาน วงจรป้อนกลับที่เอาชนะตัวเองได้นี้หมายความว่าในทางปฏิบัติสำหรับผนังที่บางกว่าของบริการไกลคอลไม่เพียงแต่มีประสิทธิภาพมากกว่าเท่านั้น แต่ยังอาจทนทานต่อการกัดกร่อนได้มากกว่าอีกด้วย เนื่องจากพวกมันทำให้ปลอกเย็นลง

คำแนะนำการปฏิบัติสำหรับความหนาสำหรับเงื่อนไขการบริการที่แตกต่างกัน

หลักเกณฑ์ด้านความหนาต่อไปนี้ใช้กับระบบ MEG 20 % แบบวงปิดที่อุณหภูมิ 110 ºC และ 4 บาร์ โดยขึ้นอยู่กับการออกแบบระบบและการสัมผัสออกซิเจนโดยประมาณ อัตราการกัดกร่อนต่ำมาก (0.01-0.02 มม. ต่อปี) สำหรับระบบกำจัดอากาศแบบปิดผนึกที่มีถังขยายที่หุ้มด้วยไนโตรเจนและรักษาออกซิเจนละลายไว้ที่น้อยกว่า 100 ppb ความหนา 1.2-1.5 มม. ให้อายุการใช้งานสิบปีโดยมีระยะขอบมาก ผนังบางยังช่วยรักษาอุณหภูมิของปลอกให้ต่ำ ซึ่งช่วยลดการสลายตัวของไกลคอลด้วย สำหรับระบบเปิด ซึ่งอากาศจะถูกดึงเข้ามาผ่านถังขยายที่มีการระบายอากาศ และเมื่อออกซิเจนที่ละลายน้ำอยู่ที่ระดับความอิ่มตัว (ประมาณ 1 ถึง 2 ppm ที่ 110 องศา ) อัตราการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้นเป็น 0.05 ถึง 0.10 มม. ต่อปี แนะนำว่าความหนา 1.6-1.8 มม. เผื่อค่าเผื่อการกัดกร่อน 0.5-1.0 มม. เป็นเวลา 10 ปี แต่ผนังที่หนากว่านี้จะต้องรวมกับความหนาแน่นของวัตต์ที่ต่ำกว่า ไม่เกิน 6-7 วัตต์/ซม. 2 เพื่อรักษาอุณหภูมิของเปลือกให้ต่ำกว่า 150 องศา . 2.0 มม. ความหนาอาจเหมาะสมสำหรับระบบที่ต้องเผชิญกับเหตุการณ์การทำให้แห้งซ้ำแล้วซ้ำอีก หรือหากไกลคอลไม่เคยถูกเติมและความเข้มข้นของกรดสูง แม้ว่าในขั้นตอนนี้โทษทางความร้อนจะมีนัยสำคัญ ในสถานการณ์นี้, แนวทางที่เหมาะสมแทนที่จะเพิ่มความหนาของเปลือกคือการเปลี่ยนโลหะผสมไปเป็นโลหะผสมที่ต้านทานการกัดกร่อนมากขึ้น เช่น 316Ti หรือ 317L หรือเพื่อเพิ่มแพ็คเกจยับยั้งการกัดกร่อนไปยังไกลคอล

ความหนาเกิน: ปัจจัยการออกแบบของระบบที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานจริง

ความหนาของผนังเป็นเพียงปัจจัยหนึ่งที่ทำให้ฮีตเตอร์ไกลคอลมีอายุการใช้งานยาวนาน สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการจัดการออกซิเจน ขนาดที่ถูกต้องของถังขยายที่มีแผ่นไนโตรเจนหรือไดอะแฟรมจะขจัดแหล่งที่มาของออกซิเจน และลดอัตราการกัดกร่อนลงหนึ่งลำดับขนาด ทำให้สามารถใช้ผนังที่บางลงและมีประสิทธิภาพด้านความร้อนมากขึ้น สิ่งที่สองคือความหนาแน่นของวัตต์ เครื่องทำความร้อนที่ยาวขึ้นหรือเครื่องทำความร้อนจำนวนมากเพื่อลดความหนาแน่นของวัตต์พื้นผิวลงเหลือ 6 วัตต์/ซม.2 หรือน้อยกว่า จะทำให้อุณหภูมิของเปลือกหุ้มต่ำกว่า 140 องศา แม้จะมีผนังขนาด 1.8 มม. ซึ่งช่วยลดการเกิดออกซิเดชันของไกลคอลได้อย่างมาก ปัจจัยที่สามคือความเร็วของของไหล เครื่องทำความร้อนแบบหมุนเวียนควรติดตั้งไว้ในส่วนของท่อซึ่งมีความเร็วการไหลอย่างน้อย 1.5–2.0 ม./วินาที เพื่อให้แน่ใจว่ามีการถ่ายเทความร้อนแบบปั่นป่วน และเพื่อป้องกันการเดือดหรือความเมื่อยล้าเฉพาะที่ ประการที่สี่คือคุณภาพและการบำรุงรักษาไกลคอล สำหรับการให้บริการที่อุณหภูมิสูง ให้ใช้ไกลคอลที่ถูกยับยั้ง (สารบัฟเฟอร์และสารต้านอนุมูลอิสระ) เพื่อยืดอายุของของเหลวและลดการผลิตกรด การประเมินค่า pH และความเป็นด่างสำรองอย่างสม่ำเสมอโดยการเปลี่ยนของเหลวเมื่อค่า pH ลดลงต่ำกว่า 6 จะช่วยป้องกันสถานการณ์กรดที่รุนแรงซึ่งต้องใช้ผนังที่ใหญ่ขึ้น

สรุป: ความหนาที่กำหนดขึ้นทางวิทยาศาสตร์สำหรับบริการไกลคอลที่เชื่อถือได้

The sheath thickness for 316 stainless steel circulation heaters in 20% MEG at 110°C and 4 bar should not be at the extremes. Very thin walls, below 1.0 mm, are not appropriate, as they lack the mechanical resilience for threaded connections and do not give sufficient corrosion allowance for a decade of operation. Very thick walls (>2.0 มม.) ไม่ให้ผลผลิต เนื่องจากจะเพิ่มอุณหภูมิของปลอกให้อยู่ในช่วงที่ไกลคอลออกซิเดชันเร่ง ทำให้เกิดกรดที่โจมตีเหล็ก ช่วงที่ได้รับการตรวจสอบทางวิทยาศาสตร์คือ 1.4-1.8 มม. สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ โดยจำนวนที่แน่นอนเป็นฟังก์ชันของวิธีการจัดการออกซิเจนและความหนาแน่นของวัตต์ สำหรับระบบที่ปกคลุมไปด้วยไนโตรเจนซึ่งมีถังขยายที่สร้างขึ้นอย่างเหมาะสม ความหนาที่เหมาะสมคือ 1.4-1.5 มม. และบางเพียงพอที่จะรักษาอุณหภูมิของเปลือกให้ต่ำกว่า 140 องศาที่ 8 วัตต์/ซม.2 แต่มีความหนาเพียงพอที่จะให้ค่าเผื่อการกัดกร่อน 0.3-0.4 มม. ในระยะเวลาสิบปี สำหรับระบบเปิดที่หายใจอากาศโดยรอบ 1.7-1.8 มม. เหมาะสม แต่สำหรับความหนาแน่นของวัตต์ที่ลดลง 6 W/cm 2 หรือต่ำกว่าเท่านั้น วิศวกรควรระบุปริมาณออกซิเจนที่คาดหวัง อุณหภูมิปลอกสูงสุดที่อนุญาต และความหนาแน่นของวัตต์ที่ต้องการ นี่เป็นการยกระดับการอภิปรายจากมิติที่เรียบง่ายไปสู่ข้อกำหนดทางวิศวกรรมทั้งระบบที่เชื่อมโยงความหนาของผนังกับความต้านทานการกัดกร่อนและประสิทธิภาพทางความร้อนในลูปการทำความร้อนไกลคอลที่มีแรงดัน