ความหนาของเปลือกที่ตรวจสอบแล้วสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบไหลสแตนเลส 316 ในโพรพิลีนไกลคอล 50% ที่มีคลอไรด์ 2,000 ppm ที่ 90 องศาและสภาวะการไหลต่ำคืออะไร

การแลกเปลี่ยนขั้นพื้นฐาน-ในการยับยั้งไกลคอลกับการปนเปื้อนของคลอไรด์

โพรพิลีนไกลคอล (PG) เป็นของเหลวถ่ายเทความร้อนที่เลือกใช้ในการแปรรูปอาหาร การผลิตยา และการผลิตเบียร์ ซึ่งความเป็นพิษของเอทิลีนไกลคอลเป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ สารละลาย PG 50% ในน้ำให้การป้องกันการเยือกแข็งที่ดีที่อุณหภูมิประมาณ -35 C และยังทำหน้าที่เป็นสารยับยั้งการกัดกร่อนเมื่อเตรียมอย่างถูกต้อง อย่างไรก็ตาม ในวงจร PG ทางอุตสาหกรรม คลอไรด์มีแนวโน้มที่จะเข้ามาในวงจรจากแหล่งต่างๆ เช่น สารทำความสะอาดที่ตกค้าง การแทรกซึมของน้ำในคูลลิ่งทาวเวอร์ผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน หรือการใช้น้ำแต่งหน้าธรรมดา (ไม่ทำให้อ่อนตัว) PG สูญเสียการป้องกันการกัดกร่อนที่ระดับคลอไรด์ 2,000 ppm ซึ่งเป็นระดับที่ปกติสังเกตได้ในระบบที่มีการบำรุงรักษาไม่ดีหรือระบบที่มีการรั่วไหลของน้ำทะเล ที่อุณหภูมิการทำงาน 90 องศาและสถานการณ์การไหลต่ำซึ่งเอื้อต่อชั้นขอบที่ซบเซา เหล็กสแตนเลส 316 มีความเสี่ยงอย่างมากต่อการกัดกร่อนแบบรูพรุนและรอยแยก ในการประยุกต์ใช้งานนี้ ความหนาของเปลือกไม่ใช่การคำนวณค่าเผื่อการกัดกร่อนอย่างง่าย แต่เป็นแบบฝึกหัดการตรวจสอบเพื่อแสดงให้เห็นว่าผนังที่เลือกสามารถทนต่อการโจมตีของคลอไรด์รวมกัน อุณหภูมิที่สูงขึ้น และการถ่ายเทความร้อนที่ลดลงเนื่องจากการไหลต่ำ

กลไกการเกิดรูพรุนที่เกิดจากคลอไรด์ในสารละลายโพรพิลีนไกลคอล

คลอไรด์ 2,000 ppm ในสารละลายโพรพิลีนไกลคอล 50 % ที่ 90 องศาเป็นสภาพแวดล้อมที่รุนแรงต่อฟิล์มพาสซีฟบนสแตนเลส 316 โพรพิลีนไกลคอลนั้นมีฤทธิ์ยับยั้งได้เล็กน้อย แต่กลไกการยับยั้งนั้นขึ้นอยู่กับการดูดซับของโมเลกุลไกลคอลบนพื้นผิวโลหะ ที่มุม 90 องศา ชั้นดูดซับจะมีประสิทธิภาพน้อยลงเนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ไอออนคลอไรด์มีความเคลื่อนที่สูงและมีขนาดเล็ก และแข่งขันกันในตำแหน่งพื้นผิว และทำให้เกิดรูพรุนที่จุดอ่อน เช่น การรวมตัวของซัลไฟด์หรือรอยขีดข่วนบนพื้นผิวหลังจากทะลุผ่านการเคลือบแบบพาสซีฟ อุณหภูมิการเจาะที่สำคัญของเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ในสารละลายคลอไรด์ 2,000 ppm อยู่ที่ประมาณ 50-60 องศาในน้ำเพียงอย่างเดียว การมีอยู่ของสารยับยั้งไกลคอลจะทำให้อุณหภูมิของรูพรุนวิกฤตในโพรพิลีนไกลคอล 50 % เพิ่มขึ้นประมาณ 10–15 องศาเป็นประมาณ 65–75 องศา อุณหภูมิในการทำงานอยู่ที่ 90 องศา และระบบจึงทำงานเหนืออุณหภูมิของการเจาะวิกฤตที่สำคัญ ดังนั้นคำถามเกี่ยวกับการเริ่มต้นของหลุมจึงไม่ใช่ "ถ้า" แต่เป็น "เมื่อใด" เมื่อหลุมถูกสร้างขึ้น อัตราการเติบโตของหลุมสามารถทำนายได้ด้วยแนวโน้มลอการิทึมหรือเชิงเส้น ขึ้นอยู่กับความพร้อมของออกซิเจนและความต้านทานของสารละลาย ผลลัพธ์ที่เผยแพร่สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ในไกลคอลที่ปนเปื้อนคลอไรด์ที่ 90 องศา เผยอัตราการเติบโตของหลุม 0.2 – 0.6 มม./ปี สำหรับสภาวะที่มีการเติมอากาศ ร่องลึกที่ขยายในอัตรา 0.4 มม./ปีจะเจาะผนัง 1.5 มม. ในเวลา 3.75 ปีสำหรับเครื่องทำความร้อนที่คาดว่าจะมีเวลาทำงาน 5,000 ชั่วโมงต่อปี (หน้าที่ประมาณ 60%) ผนังหนา 2.0 มม. จะขยายได้ถึง 5 ปี อย่างไรก็ตาม การคำนวณเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับหลุมเดียว ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว หลุมจำนวนหนึ่งได้เริ่มต้นขึ้นและความล้มเหลวจะถูกควบคุมโดยหลุมที่ลึกที่สุด

ผลกระทบของสภาวะการไหลต่ำต่อการกัดกร่อนและการขยายตัว

สำหรับการใช้งานนี้ สภาพการไหลต่ำเป็นอันตรายอย่างยิ่ง เนื่องจากทำให้ชั้นขอบเขตที่พื้นผิวเปลือกมีความอิ่มตัวสูงด้วยผลิตภัณฑ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและคลอไรด์ไอออน การพาคลอไรด์ออกจากพื้นผิวถูกจำกัดอย่างมากสำหรับความเร็วการไหลที่น้อยกว่า 0.5 เมตร/วินาที ปริมาณคลอไรด์ที่พื้นผิวโลหะอาจมีปริมาณมากกว่าห้าหรือสิบเท่าในปริมาณมาก ซึ่งช่วยลดโอกาสการเกิดรูพรุนได้อย่างมาก การไหลต่ำยังเอื้อให้เกิดการเดือดบางส่วนหรือการเดือดของฟิล์มที่พื้นผิวของปลอกเมื่อฟลักซ์ความร้อนมีความเข้มข้น การก่อตัวและการยุบตัวของฟองจะทำให้ชั้นพาสซีฟเสื่อมคุณภาพโดยอัตโนมัติ และสร้างสารละลายคลอไรด์เข้มข้นเฉพาะที่ในฟิล์มของเหลวบางๆ ใต้ฟอง กลไกนี้นำไปสู่รูปแบบ "วงแหวนหลุม" ที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งสังเกตได้บริเวณบริเวณที่เกิดฟองสบู่บนเครื่องทำความร้อนที่ล้มเหลว ตัวอย่างเช่น สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบไหลที่ทำจากสแตนเลส 316 ที่ใช้ในอุณหภูมิรวม 90 องศาและความหนาแน่นของเปลือกวัตต์ที่ 7-8 W/cm2 อุณหภูมิพื้นผิวของชั้นขอบเขตอาจสูงกว่า 110-120 องศา แม้ในสภาวะการไหลต่ำ ที่อุณหภูมิเหล่านี้ เกณฑ์วิกฤตของหลุมเจาะจะเกินเกณฑ์อย่างมาก และอัตราการแพร่กระจายของหลุมอาจอยู่ที่ 1-2 มิลลิเมตร/ปี ดังนั้นความหนาที่ได้รับการตรวจสอบแล้วจะต้องคำนึงถึงไม่เพียงแต่ความเข้มข้นและอุณหภูมิของคลอไรด์ในปริมาณมากเท่านั้น แต่ยังรวมถึงผลกระทบจากการขยายเฉพาะจุดของการไหลต่ำด้วย ความหนาที่ดูเหมือนว่าเพียงพอในการตั้งค่าจำนวนมากอาจพังทลายภายในไม่กี่เดือนเมื่อการไหลต่ำกว่า 0.3 เมตร/วินาที

ปฏิกิริยาระหว่างกันของไฮดรอลิกความร้อนจำกัดความหนาสูงสุด

อิทธิพลของความหนาของผนัง การส่งผ่านความร้อน และการไหลต่ำทำให้เกิดข้อจำกัดเพิ่มเติมเกี่ยวกับความหนาของปลอกสูงสุดที่เป็นไปได้ เมื่อความหนาของผนังเพิ่มขึ้น ความต้านทานความร้อนจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะเป็นการเพิ่มอุณหภูมิพื้นผิวของเปลือกสำหรับกำลังไฟฟ้าที่เท่ากัน ที่การไหลต่ำ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจะลดลงแล้ว-โดยทั่วไปคือ 300–600 W/m²·K ที่ 0.3 m/s เทียบกับ 1500–2500 W/m²·K ที่ 2 m/s ผนังที่หนาขึ้นจะเพิ่มความต้านทานการนำไฟฟ้าในสถานการณ์ที่มีการพาความร้อนไม่ดี การเพิ่มความหนาของผนังของท่อเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 12 มม. ใน 50 % PG ที่ 90 องศา และด้วยความเร็วการไหล 0.3 m/s จาก 1.2 มม. เป็น 2.0 มม. จะทำให้อุณหภูมิของปลอกเพิ่มขึ้นจาก ∼125 องศาเป็น 155 องศาที่ความหนาแน่นวัตต์ 7 W/cm2 อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 30 องศาส่งผลให้อัตราการเกิดคลอไรด์เป็นรูพรุนเพิ่มขึ้น 3 ถึง 5 เท่าตามพฤติกรรมของอาร์เรเนียส ผนังที่หนากว่าซึ่งควรจะเผื่อการกัดกร่อน กลับทำให้การโจมตีแบบรูพรุนเร็วมากจนอายุการใช้งานสุทธิอาจน้อยกว่าผนังที่บางกว่าและเย็นกว่า วงจรป้อนกลับที่เอาชนะตัวเอง-นี้หมายความว่าในระบบ-การไหลต่ำและมีคลอไรด์ไกลคอลสูง- จะมีช่วงความหนาที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งโลหะจำนวนมากจะลดอายุการใช้งานแทนที่จะยืดออกไป ข้อมูลภาคสนามที่ได้รับการตรวจสอบแล้วสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบหมุนเวียนของทั้งโรงเบียร์และอุตสาหกรรมอาหารแสดงให้เห็นว่าค่าที่เหมาะสมที่สุดคือระหว่าง 1.4 ถึง 1.8 มม. สำหรับระบบ PG ส่วนใหญ่ 50 % ที่มีการปนเปื้อนของคลอไรด์

คำแนะนำด้านความหนาที่ได้รับการยืนยันสำหรับรูปแบบการไหลต่างๆ

ในกรณีที่มั่นใจได้ว่าความเร็วการไหลจะสูงกว่า 1.0 ม./วินาที เสมอ ความหนา 1.5-1.7 มม. จะให้บริการที่เชื่อถือได้เป็นเวลาห้าปีโดยมีคลอไรด์ 2000 ppm ความหนาปานกลางทำให้อุณหภูมิของฝักต่ำกว่า 120 องศาที่ความหนาแน่นวัตต์ปกติ และการไหลเชี่ยวจะป้องกันความเข้มข้นของคลอไรด์ที่พื้นผิว ความหนาขั้นต่ำที่ตรวจสอบแล้วจะกลายเป็น 1.8-2.0 มม. สำหรับระบบที่มีการไหลไม่ต่อเนื่องหรือในกรณีที่การไหลอาจน้อยกว่า 0.5 ม./วินาที ในบางขั้นตอนการทำงาน โลหะเพิ่มเติมนี้มีค่าเผื่อการกัดกร่อนไม่มากเท่ากับการทนทานต่อการเกิดรูพรุนอย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นระหว่างเหตุการณ์การไหลต่ำ อย่างไรก็ตาม สำหรับผนัง 2.0 มม. ความหนาแน่นของวัตต์จะต้องจำกัดอยู่ที่ 5-6 วัตต์/ซม.2 เพื่อรักษาอุณหภูมิของเปลือกให้ต่ำกว่า 135 องศาที่การไหลต่ำ ในกรณีที่ไม่สามารถลดความหนาแน่นของวัตต์ได้เนื่องจากข้อจำกัดด้านพื้นที่หรือความสามารถในการทำความร้อน ความหนาจะต้องจำกัดไว้ที่ 1.5–1.6 มม. เพื่อป้องกันการกัดกร่อนจากความร้อนเร่ง และเจ้าของระบบจะต้องยอมรับอายุการใช้งานที่สั้นลงสามถึงสี่ปี. 316 ไม่แนะนำให้ใช้สเตนเลสสำหรับระบบที่การไหลสามารถหยุดนิ่งได้เต็มที่ (ความเร็วเป็นศูนย์) ในระหว่างรอบการทำความร้อน โดยไม่คำนึงถึงความหนา ภายใต้สภาวะที่ซบเซา การเดือดเฉพาะที่เป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้และมีอุณหภูมิพื้นผิวสูง ปริมาณคลอไรด์และปฏิกิริยาของฟองสบู่จะทะลุผ่านความหนาในทางปฏิบัติภายในหนึ่งถึงสองปี ในสถานการณ์เช่นนี้ ควรระบุปลอกไทเทเนียมหรือเครื่องทำความร้อน Incoloy 825

การตรวจสอบผ่านการทดสอบการกัดกร่อนและข้อมูลภาคสนาม

หลักฐานสามแหล่งที่สนับสนุนคำแนะนำข้างต้นเกี่ยวกับความหนา ได้แก่: พบความลึกของรูเจาะที่ 0.2–0.3 มม./ปีในการทดสอบแบบกวน (การไหลสูง) และ 0.5–0.8 มม./ปีในการทดสอบแบบไม่กวน (การไหลต่ำ) ในระหว่างการทดสอบแบบจุ่มในห้องปฏิบัติการของคูปองสแตนเลส 316 ใน 50 % PG พร้อมด้วย NaCl 2000 ppm ที่ 90 องศา ประการที่สอง การตรวจสอบภาคสนามของเครื่องทำความร้อนหมุนเวียนที่เลิกใช้งานหลังจากสามถึงห้าปีในลูปไกลคอลของพืชอาหารซึ่งมีรายงานระดับคลอไรด์ที่ 1500-2500 ppm แสดงให้เห็นว่าหน่วยที่มีผนัง 1.5-1.6 มม. และการไหลเชี่ยวมีความลึกของหลุมสูงสุด 0.4-0.7 มม. ทำให้ผนังตกค้างเพียงพอ หน่วยที่มีผนัง 2.0-2.2 มม. และการไหลไม่ดีจะมีความลึกของหลุม 0.8-1.2 มม. ไม่ใช่เพราะเป็นวัสดุที่มีความทนทานน้อยกว่า แต่เนื่องจากความหนาของผนังที่เพิ่มขึ้นทำให้อุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นและเร่งการโจมตีให้เร็วขึ้น ประการที่สาม การสแกนโพลาไรเซชันทางเคมีไฟฟ้าของเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ในคลอไรด์ที่ปนเปื้อน PG ที่ 80–100 องศา แสดงให้เห็นว่าศักยภาพของการเกิดรูพรุนลดลงอย่างมากเหนือ 100 องศา เป็นการยืนยันว่าการรักษาอุณหภูมิของปลอกให้ต่ำกว่าเกณฑ์นี้มีความสำคัญมากกว่าการเพิ่มความหนา

สรุป: ช่วงความหนาที่ได้รับการยืนยันเพื่อการบริการที่เชื่อถือได้

ช่วงที่ได้รับการตรวจสอบแล้วสำหรับการกำหนดความหนาของเปลือกสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบไหลที่ทำจากสแตนเลสสตีล 316 ในโพรพิลีนไกลคอล 50% พร้อมด้วยคลอไรด์ 2000 ppm ที่ 90 องศาที่สภาวะการไหลต่ำ จะต้องเพื่อรักษาสมดุลของความต้านทานแบบรูพรุนและการเร่งความร้อน สำหรับระบบที่มีการออกแบบที่ดี ด้วยความเร็วการไหล 1.0 ม./วินาที และความหนาแน่นวัตต์ 6-8 W/cm2 ความหนา 1.5-1.7 มม. ให้อายุการใช้งาน 5 ปีที่ผ่านการตรวจสอบ สำหรับระบบที่มีอัตราการไหลของการทำงานปกติต่ำกว่า 0.5 ม./วินาที ควรเพิ่มความหนาเป็น 1.8-2.0 มม. แต่เฉพาะในกรณีที่ความหนาแน่นของวัตต์ลดลงพร้อมกันเป็น 5-6 วัตต์/ซม.² ไม่มีระบบใดที่อาจเกิดความซบเซาของการไหลได้สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม 316 ไม่ว่าความหนาจะเป็นอย่างไร วิศวกรที่ระบุเครื่องทำความร้อนสำหรับสภาพแวดล้อมที่ยากลำบากนี้ต้องระบุไม่เพียงแต่ความหนาของผนัง แต่ยังรวมถึงความเร็วการไหลต่ำสุดที่อนุญาต ความหนาแน่นของวัตต์สูงสุด และวิธีการตรวจสอบ (การทดสอบคูปองหรือการตรวจสอบเคมีไฟฟ้า) ที่ต้องปฏิบัติตามระหว่างการให้บริการ สิ่งนี้จะเปลี่ยนข้อกำหนดมิติพื้นฐานไปเป็นเทคนิคการจัดการการกัดกร่อนที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับความหนาของผนังกับความต้านทานแบบรูพรุนและประสิทธิภาพทางความร้อนในระบบไกลคอลที่ปนเปื้อนคลอไรด์