كيف يتحكم تركيز السيليكا المذابة عند 100 درجة من درجة حرارة الماء السائب في تكوين مقياس السيليكات العازل على 316 أغلفة سخان من الفولاذ المقاوم للصدأ

آلية ترسيب السيليكا غير المتبلورة ومقاومتها الحرارية

يمثل تكوين مقياس السيليكات غير المتبلور مشكلة تلوث فريدة لـ 316 من أنابيب التسخين الكهربائية المغلفة بالفولاذ المقاوم للصدأ والتي تعمل في مياه ذات درجة حرارة عالية تحتوي على السيليكا المذابة (SiO₂) الشائعة في المياه الحرارية الأرضية ومياه تغذية الغلايات وبعض تيارات العمليات الصناعية، وتختلف عن تحجيم كربونات الكالسيوم. تنتج قشور السيليكات من بلمرة حمض السيليك (Si(OH)4) على الأسطح المعدنية الساخنة، في حين تنتج قشور الكربونات من ترسيب الأملاح البلورية. عند درجة حرارة الماء السائبة البالغة 100 درجة (الماء المغلي)، تتبلمر بسرعة تركيزات السيليكا المذابة التي تزيد عن 50-80 جزء في المليون تقريبًا (مثل SiO2) على الأسطح الساخنة. يحتوي مقياس السيليكا غير المتبلور الناتج على السطح على موصلية حرارية منخفضة جدًا (حوالي 0.5-1.5 واط/م·ك مقابل 15-20 واط/م·ك للفولاذ المقاوم للصدأ 316)، وبالتالي يخلق طبقة من العزل ترفع درجة حرارة الغلاف بمقدار 20-50 درجة على مدار أسابيع. تعمل هذه الزيادة في درجة الحرارة على تسريع ترسب السيليكا ويمكن أن تؤدي إلى فشل ارتفاع درجة الحرارة. تحدد هذه المقالة العلاقة بين تركيز السيليكا المذابة ومعدل تطور الحجم وفقدان الأداء الحراري عند 100 درجة.

آلية بلمرة السيليكات على الأسطح الساخنة

تكون السيليكا المذابة في الماء بشكل أساسي على شكل حمض السيليك المونومري Si(OH) 4. تتمتع السيليكا غير المتبلورة بقابلية ذوبان ~300-400 جزء في المليون عند 100 درجة، اعتمادًا على الرقم الهيدروجيني. فوق حد الذوبان، تتشكل بلمرة السيليكا والجسيمات الغروية التي تترسب في النهاية على شكل مقياس أوبالين غير متبلور. ومع ذلك، تحت حد الذوبان، يمكن للأسطح المعدنية الساخنة أن تحفز البلمرة، حيث أن درجة حرارة السطح المرتفعة ترفع معدل التفاعل (سلوك أرينيوس). تكون طاقة التنشيط لبلمرة السيليكا إلى الفولاذ المقاوم للصدأ 316 في حدود 40-60 كيلوجول/مول، بحيث يتضاعف معدل الترسيب لكل زيادة بمقدار 10-15 درجة في درجة حرارة الغلاف. يتم تشكيل طبقة رقيقة من السيليكا ويعمل عملها العازل على رفع درجة حرارة الغلاف في دورة ذاتية التسارع.

العلاقة الكمية بين تركيز السيليكا وتكوين المقياس عند 100 درجة مئوية

تم تحديد المعدلات التالية لتكوين القشور وبناء المقاومة الحرارية على مدى أكثر من 1000 ساعة من دراسات التلوث التي تم التحكم فيها على 316 غلافًا من الفولاذ المقاوم للصدأ (تدفق حراري 5 وات/سم2) في الماء عند درجة حرارة كبيرة تبلغ 1000 درجة مئوية مع كميات مختلفة من السيليكا المذابة (الرقم الهيدروجيني 7.5).

تركيز السيليكا المذابة (جزء في المليون مثل SiO2) سمك المقياس بعد 1000 ساعة (ميكرومتر) مقياس السيليكا التوصيل الحراري (ث/م. كلفن) المقاومة الحرارية المضافة (م2. ك/وات) ارتفاع درجة حرارة الغمد فوق الحجم (درجة، عند 5 وات/سم2) الوقت حتى 20 درجة ارتفاع درجة الحرارة (ساعات) يوصى به للخدمة 100 درجة<20 <5 1.0-1.5 <0.0005 <2.5 >5,000 Yes 20-40 5-15 1.0-1.5 0.0005-0.0015 2.5-7.5 2,000-5,000 Yes 40-60 15-30 0.8-1.2 0.0015-0.0030 7.5-15 1,000-2,000 Acceptable with monitoring 60-80 30-50 0.7-1.0 0.0030-0.0050 15-25 500-1,000 Marginal 80-100 50-80 0.6-0.9 0.0050-0.0080 25-40 200-500 Not recommended 100-150 80-120 0.5-0.7 0.0080-0.0120 40-60 100-200 Unacceptable >150 >120 <0.6 >0.0120 >60 <100 Unacceptable
تأثير الرقم الهيدروجيني على معدل ترسب السيليكا

تعتمد بلمرة السيليكا بشكل كبير على الرقم الهيدروجيني -، مع أقل معدل ذوبان وترسب عند درجة الحموضة 7.5-8.0. عند درجة الحموضة المنخفضة (الحمضية)، يكون حمض السيليسيك غير مشحون ويتبلمر بشكل أبطأ. في المحاليل القلوية (درجة الحموضة العالية) توجد السيليكا على شكل أيونات سيليكات (SiO3 2-) والتي تتبلمر بسرعة وتتحد أيضًا مع الكالسيوم والمغنيسيوم لإنتاج سيليكات معقدة. تأثير الرقم الهيدروجيني على معدل الترسيب عند 100 جزء في المليون SiO2 موضح في الجدول أدناه.

الرقم الهيدروجيني عند 100 درجة معدل الترسيب النسبي لنوع السيليكا (الرقم الهيدروجيني 7.5=1.0) مقياس التشكل نطاق الرقم الهيدروجيني الموصى به<6.0 Si(OH)4 (monomeric) 0.3-0.5 Thin, glassyAcceptable but corrosive 
6.0-7.0 Si(OH)₄ يهيمن على 0.6-0.8متوسط ​​إلى سميك مقبول
7.0-7.5 مختلط 0.9-1.1 متوسط ​​الأمثل
7.5-8.0 ممزوج ببعض SiO3 2- 1.0-1.5 هامشي متوسط ​​إلى ثقيل
8.0-9.0 SiO3 2- dominant 1.5-3.0 Heavy, occasionally crystallineNot advisable >9.0 SiO₃²⁻ + سيليكات المعدن 3.0-5.0 ثقيل جدًا، ملتصق غير جيد
مواصفات كيمياء المياه - التحكم العملي في السيليكا

تم اقتراح حدود السيليكا التالية لـ 316 سخانًا مغلفًا مع درجة حرارة الماء السائبة تبلغ 100 درجة لمدة الخدمة المقصودة.

Maximum Dissolved Silica (ppm as SiO2) Desired Service Life (hours)Max. Heat Flux (W/cm²)>أوصى بمعالجة المياه10,000<30 <5 None required 10,000 30-50 <4 Monitor silica 5,000-10,000 50-70 <3 Silica removal (reverse osmosis) or periodic cleaning
3,000-5,000 70-90 <2 Removal of silica necessary <3,000 >90 أي 316 لا ينصح؛ التحقيق في ترقية السبائك أو التدفئة الخارجية
التحديد الميداني لفشل مقياس السيليكات

إن المؤشر النموذجي لسخان 316 في الماء الذي يحتوي على نسبة عالية من السيليكا- هو عبارة عن قشرة صلبة وزجاجية وشفافة إلى بيضاء يصعب إزالتها ميكانيكيًا (تحتاج إلى تنظيف كيميائي باستخدام حمض الهيدروفلوريك أو مادة كاوية ساخنة). يكون المقياس سلسًا بشكل عام وقد يكون له مظهر "مجنون". قد يكون بعض التآكل مرئيًا على السطح المعدني خلف المقياس - ويكون الفشل بشكل أساسي حراريًا (ارتفاع درجة الحرارة) وليس مسببًا للتآكل. قد يتعطل المدفأة بسبب الاحتراق (سلك المقاومة الذائب)، وليس بسبب ثقب الغلاف. في مثل هذه الإخفاقات، يكشف فحص حيود الأشعة السينية (XRD) للمقياس عن السيليكا غير المتبلورة (نمط الحدبة العريضة) أو، في درجات الحرارة المرتفعة، الكريستوباليت البلوري. يُظهر التحليل الطيفي للأشعة السينية - المشتتة من الطاقة (EDS) السيليكون والأكسجين مع القليل من الحديد والكروم. الحل هو تقليل محتوى السيليكا إما عن طريق التناضح العكسي أو التبادل الأيوني أو التخفيف أو العمل بتدفق حراري أقل لخفض درجة حرارة الغلاف.

أساليب التخفيف من ارتفاع-مياه السيليكا

يمكن لثلاثة خيارات للتخفيف إطالة عمر السخان عندما لا يمكن تقليل مستويات السيليكا اقتصاديًا. الأول هو تقليل تدفق الحرارة. بالنسبة إلى قوة كهربائية معينة، تعني مساحة سطح الغمد الأكبر (الأغلفة ذات القطر الأطول أو الأكبر) انخفاض درجة حرارة الغلاف، مما يؤدي إلى إبطاء بلمرة السيليكا بشكل كبير. على سبيل المثال، يؤدي تقليل التدفق الحراري من 5 وات/سم² إلى 3 وات/سم² إلى تقليل معدل ترسب السيليكا بحوالي 50-70%. التقنية الثانية هي العمل عند درجة حرارة منخفضة للكتلة: خفضها من 100 درجة مئوية إلى 90 درجة مئوية يقلل من معدل بلمرة السيليكا بحوالي 40-50%. الخيار الثالث هو إدخال مثبطات الحجم. يمكن لبعض الفوسفونات والبوليمرات إبطاء بلمرة السيليكا، على الرغم من أنها أقل فعالية مما هي عليه بالنسبة لمقياس الكربونات. العلاج الوحيد الذي يمكن الاعتماد عليه للتلوث الشديد بالسيليكا هو التحول إلى التسخين غير المباشر (على سبيل المثال، مبادل حراري بخاري) أو استخدام سخان بغمد قابل للإزالة.

الخلاصة: موثوقية السخان 316 مع التحكم في السيليكا المذابة بنسبة 100 درجة

تمت ملاحظة الإنشاء السريع لمقياس سيليكات غير متبلور عازل على 316 سخانًا مغلفًا بالفولاذ المقاوم للصدأ في ماء سائب بدرجة 100 بتركيزات سيليكا مذابة تزيد عن 60-80 جزء في المليون. يؤدي تكوين هذا المقياس إلى زيادة درجة حرارة الغلاف بمقدار 15-25 درجة خلال 500-1000 ساعة ويؤدي إلى فشل التسخين الزائد. الحد الحرج للخدمة لمدة 10000 ساعة هو 30 جزء في المليون من SiO2 عند تدفق حراري 5 وات/سم2. يجب على المهندسين الذين يختارون 316 غمدًا للطاقة الحرارية الأرضية أو تغذية الغلايات أو غيرها من تيارات السيليكا العالية تحليل تركيز السيليكا المذاب إما للحد منه (عن طريق التناضح العكسي أو التخفيف) أو تقليل تدفق الحرارة للتعويض. أعلى من 80 جزء في المليون من مستوى السيليكا، لا تتم الموافقة على 316 غمدًا لأي تدفق حراري. يوفر الإطار الذي تم تطويره هنا علاقة بين تركيز السيليكا المذابة والمعدلات القابلة للقياس لتطور الحجم وتراكم المقاومة الحرارية، مما يسمح للمشتري بطلب معالجة المياه أو تغييرات تصميم السخان التي تتجنب وضع الفشل الخفي المتمثل في ارتفاع درجة الحرارة الناجم عن السيليكات.