ما هو سمك الغلاف الذي تم التحقق منه لسخانات التدفق المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 في 50% بروبيلين جلايكول مع 2000 جزء في المليون من الكلوريدات عند 90 درجة وظروف التدفق المنخفضة

التجارة الأساسية-في تثبيط الجليكول مع التلوث بالكلوريد

البروبيلين جليكول (PG) هو سائل نقل الحرارة المفضل في معالجة الأغذية وتصنيع الأدوية وتطبيقات التخمير حيث تكون سمية الإيثيلين جليكول غير مقبولة. يوفر محلول PG بنسبة 50% في الماء حماية جيدة من التجمد حتى -35 درجة مئوية ويعمل أيضًا كمثبط للتآكل عند تحضيره بشكل صحيح. ومع ذلك، في دوائر PG الصناعية، تميل الكلوريدات إلى شق طريقها إلى الدائرة من عدد من المصادر مثل عوامل التنظيف المتبقية، أو تسرب مياه برج التبريد من خلال المبادلات الحرارية أو استخدام ماء التركيب العادي (غير المخفف). يفقد PG حمايته من التآكل عند مستويات كلوريد تبلغ 2000 جزء في المليون، وهو المستوى الذي يتم ملاحظته عادةً في الأنظمة سيئة الصيانة أو الأنظمة التي تعاني من تسرب مياه البحر. عند درجة حرارة التشغيل 90 درجة وظروف التدفق المنخفضة التي تفضل ركود الطبقة الحدودية، يكون الفولاذ المقاوم للصدأ 316 معرضًا لخطر كبير للتآكل والشقوق. في هذا التطبيق، لا يعد سمك الغلاف حسابًا بسيطًا لبدل التآكل، ولكنه تمرين تحقق لإثبات أن الجدار المحدد يمكنه تحمل الهجوم المشترك للكلوريدات ودرجة الحرارة المرتفعة وانخفاض نقل الحرارة بسبب التدفق المنخفض.

آلية التنقر الناتج عن الكلوريد في محاليل البروبيلين جليكول

يمثل 2000 جزء في المليون من الكلوريدات في محلول بروبيلين جليكول 50% عند 90 درجة بيئة عدوانية للطبقة السلبية على الفولاذ المقاوم للصدأ 316. البروبيلين غليكول نفسه مثبط بشكل ضعيف ولكن آلية تثبيطه تعتمد على امتزاز جزيء الجليكول على سطح المعدن. عند 90 درجة تكون الطبقة الممتزة أقل كفاءة بسبب الحركة الحرارية. تتميز أيونات الكلوريد بأنها متحركة للغاية وصغيرة الحجم وتتنافس على المواقع السطحية وتسبب حفرًا في نقاط الضعف مثل شوائب الكبريتيد أو الخدوش على السطح بعد اختراق الطلاء السلبي. تبلغ درجة الحرارة الحرجة للفولاذ المقاوم للصدأ 316 في محلول كلوريد 2000 جزء في المليون حوالي 50-60 درجة في الماء وحده. يؤدي وجود الجليكول المانع إلى رفع درجة الحرارة الحرجة في 50% بروبيلين جلايكول بحوالي 10-15 درجة إلى حوالي 65-75 درجة. تبلغ درجة حرارة التشغيل 90 درجة وبالتالي يتم تشغيل النظام فوق درجة حرارة التنقر الحرجة، وبالتالي فإن مسألة بدء الحفرة ليست "إذا" بل "متى". بمجرد تكوين الحفرة، يمكن التنبؤ بمعدل نموها من خلال اتجاه لوغاريتمي أو خطي اعتمادًا على توفر الأكسجين ومقاومة المحلول. النتائج المنشورة عن 316 الفولاذ المقاوم للصدأ في غليكول ملوث بالكلوريد عند 90 درجة تكشف عن معدلات نمو الحفرة من 0.2 - 0.6 ملم / سنة للظروف الهوائية. إن الخندق الذي يتوسع بمعدل 0.4 مم/سنة من شأنه أن يخترق جدارًا بسمك 1.5 مم خلال 3.75 سنة بالنسبة للسخان مع وقت تشغيل متوقع يبلغ 5000 ساعة سنويًا (حوالي 60٪ واجب). ومن شأن جدار 2.0 ملم أن يمتد إلى 5 سنوات. ومع ذلك، فإن هذه الحسابات تعتمد على حفرة واحدة، في حين أنه في الواقع يتم إنشاء عدد من الحفر ويتم التحكم في الفشل من خلال الحفرة الأعمق.

آثار ظروف التدفق المنخفض على التآكل وتضخيمه

بالنسبة لهذا التطبيق، تكون ظروف التدفق المنخفضة ضارة بشكل خاص لأنها تسمح للطبقة الحدودية على سطح الغلاف بأن تصبح مفرطة التشبع بمنتجات التآكل وأيونات الكلوريد. يكون انتقال الكلوريدات بعيدًا عن السطح محدودًا بشدة عند سرعات التدفق الأقل من 0.5 م/ث. قد يكون محتوى الكلوريد على سطح المعدن خمسة أو عشرة أضعاف حجمه وبالتالي يقلل بشكل كبير من احتمالية الحفر. يفضل التدفق المنخفض أيضًا الغليان الجزئي أو غليان الغشاء على سطح الغلاف عندما يكون التدفق الحراري قويًا. يؤدي تكوين الفقاعات وانهيارها إلى تحلل الطبقة السلبية ميكانيكيًا وإنشاء محاليل كلوريد مركزة محليًا في الغشاء السائل الرقيق الموجود أسفل الفقاعة. تؤدي هذه الآلية إلى نمط "حلقة التنقر" المميزة التي يتم ملاحظتها حول مواقع نواة الفقاعات في السخانات الفاشلة. على سبيل المثال، بالنسبة لسخان التدفق المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 المستخدم في درجة حرارة كبيرة تبلغ 90 درجة وكثافة واط للغلاف تبلغ 7-8 وات/سم2، يمكن أن تكون درجة حرارة سطح الطبقة الحدودية أعلى من 110-120 درجة حتى في ظروف التدفق المنخفض. في درجات الحرارة هذه يتم تجاوز عتبة التنقر الحرجة بشكل كبير ويمكن أن يصل معدل انتشار التنقر إلى 1-2 مم/سنة. لذلك يجب أن يأخذ السماكة التي تم التحقق منها في الاعتبار ليس فقط تركيز الكلوريد ودرجة الحرارة ولكن أيضًا تأثير التضخيم الموضعي للتدفق المنخفض. قد ينهار السُمك الذي يبدو كافيًا في الإعدادات المجمعة خلال أشهر عندما يكون التدفق أقل من 0.3 م/ث.

التفاعلات الهيدروليكية الحرارية تحد من السماكة القصوى

يفرض التفاعل بين سمك الجدار وانتقال الحرارة والتدفق المنخفض حدًا إضافيًا لأقصى سمك ممكن عمليًا للغمد. مع زيادة سمك الجدار تزداد المقاومة الحرارية مما يزيد من درجة حرارة سطح الغلاف لنفس مدخلات الطاقة الكهربائية. عند التدفق المنخفض، يتم بالفعل تقليل معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري-عادةً 300-600 واط/م²·ك عند 0.3 م/ث مقارنة بـ 1500-2500 وات/م²·ك عند 2 م/ث. يزيد الجدار السميك من مقاومة التوصيل في سيناريو الحمل الحراري السيئ. زيادة سمك الجدار لأنبوب قطره الخارجي 12 مم في 50٪ PG، عند 90 درجة، وبسرعة تدفق 0.3 م / ث من 1.2 مم إلى 2.0 مم تزيد درجة حرارة الغمد من ∼ 125 درجة إلى 155 درجة عند كثافة واط تبلغ 7 وات / سم2. تؤدي الزيادة في درجة الحرارة بمقدار 30 درجة إلى زيادة قدرها 3 إلى 5 أضعاف في معدل تأليب الكلوريد بعد سلوك أرهينيوس. وبدلاً من ذلك، فإن الجدار السميك، الذي من المفترض أن يوفر سماحًا للتآكل، يجعل هجوم التنقر سريعًا جدًا بحيث قد يكون صافي عمر الخدمة أقل من الجدار الرقيق والأكثر برودة. تعني حلقة التغذية المرتدة ذاتية الهزيمة - أنه في أنظمة-التدفق المنخفض والكلوريد العالي-يوجد نطاق مثالي من السُمك الذي يؤدي بعده المزيد من المعدن إلى تقليل العمر بدلاً من إطالة عمره. تظهر البيانات الميدانية التي تم التحقق منها لكل من سخانات الدوران في مصانع الجعة وصناعة الأغذية أن الحد الأمثل يتراوح بين 1.4 و1.8 ملم لمعظم أنظمة PG بنسبة 50% الملوثة بالكلوريد.

توصيات السماكة المؤكدة لأنظمة التدفق المختلفة

حيث يمكن التأكد من أن سرعة التدفق أعلى دائمًا من 1.0 م/ث، فإن سمك 1.5-1.7 مم يوفر خدمة موثوقة لمدة خمس سنوات في وجود كلوريدات 2000 جزء في المليون. يحافظ السماكة المعتدلة على درجة حرارة الغلاف أقل من 120 درجة عند كثافات الواط العادية ويمنع التدفق المضطرب تركيز الكلوريد على السطح. يصبح الحد الأدنى للسمك الذي تم التحقق منه 1.8-2.0 مم للأنظمة ذات التدفق المتقطع أو حيث يمكن أن يصبح التدفق أقل من 0.5 م/ث في بعض مراحل التشغيل. هذا المعدن الإضافي لا يسمح بالتآكل بقدر ما يتحمل التنقر السريع الذي يحدث أثناء أحداث التدفق المنخفض. ومع ذلك، بالنسبة لجدار 2.0 مم، يجب أن تكون كثافة الواط محدودة بـ 5-6 وات/سم2 للحفاظ على درجة حرارة الغلاف أقل من 135 درجة عند التدفق المنخفض. في حالة عدم إمكانية تقليل كثافة الواط بسبب قيود المساحة أو سعة التدفئة، يجب أن يقتصر السُمك على 1.5-1.6 مم لمنع التسارع الحراري للتآكل، ويجب على مالك النظام قبول عمر خدمة قصير من ثلاث إلى أربع سنوات . 316 لا يُقترح الفولاذ المقاوم للصدأ للأنظمة حيث يمكن أن يكون التدفق راكدًا تمامًا (سرعة صفر) أثناء دورات التسخين، بغض النظر عن السُمك. في ظل الظروف الراكدة، لا يمكن تجنب الغليان الموضعي، كما أن درجة حرارة السطح المرتفعة ومحتوى الكلوريد وحركة الفقاعات الميكانيكية سوف تخترق أي سمك عملي خلال سنة إلى سنتين. في مثل هذه الظروف يجب تحديد غلاف من التيتانيوم أو سخان Incoloy 825.

التحقق عن طريق اختبار التآكل والبيانات الميدانية

مصادر الأدلة الثلاثة التي تدعم التوصيات المذكورة أعلاه فيما يتعلق بالسمك هي: شوهدت أعماق الحفر من 0.2 إلى 0.3 مم / سنة في الاختبارات المقلبة (التدفق العالي) و0.5 إلى 0.8 مم / سنة في الاختبارات غير المقلبة (التدفق المنخفض) أثناء اختبار الغمر في المختبر لـ 316 كوبونات من الفولاذ المقاوم للصدأ في 50٪ PG مع 2000 جزء في المليون من كلوريد الصوديوم عند 90 درجة. ثانيًا، تظهر عمليات التفتيش الميدانية للسخانات الدورانية التي تم إخراجها من الخدمة بعد ثلاث إلى خمس سنوات في حلقات الجليكول في مصانع الأغذية حيث تم الإبلاغ عن مستويات الكلوريد عند 1500-2500 جزء في المليون أن الوحدات ذات الجدران 1.5-1.6 مم والتدفق المضطرب لها أقصى عمق للحفرة يبلغ 0.4-0.7 مم مما يترك جدارًا متبقيًا كافيًا. الوحدات ذات الجدران 2.0-2.2 مم والتدفق الضعيف لها أعماق حفرة تتراوح بين 0.8-1.2 مم ليس بسبب وجود مادة أقل مقاومة ولكن لأن زيادة سمك الجدار عززت درجة حرارة السطح وسرعت الهجوم. ثالثًا، يُظهر مسح الاستقطاب الكهروكيميائي لـ 316 من الفولاذ المقاوم للصدأ في PG الملوث بالكلوريد عند 80-100 درجة أن احتمالية التنقر تنخفض بشكل حاد فوق 100 درجة مما يؤكد أن الحفاظ على درجة حرارة الغمد أقل من هذه العتبة أكثر أهمية من إضافة السُمك.

الخلاصة: نطاق السماكة المعتمد لخدمة موثوقة

مطلوب نطاق معتمد لتحديد سمك الغلاف لسخانات التدفق المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 في 50% بروبيلين جليكول مع 2000 جزء في المليون من الكلوريد عند 90 درجة في ظروف التدفق المنخفض لتحقيق التوازن بين مقاومة التنقر والتسارع الحراري. بالنسبة للأنظمة ذات التصميم الجيد، بسرعات تدفق تبلغ 1.0 م/ث وكثافة واط تبلغ 6-8 وات/سم2، فإن سمكًا يتراوح بين 1.5-1.7 مم يمنح فترة خدمة مدتها 5 سنوات. بالنسبة للأنظمة ذات معدل تدفق التشغيل العادي أقل من 0.5 م/ث، يجب زيادة السُمك إلى 1.8-2.0 مم، ولكن فقط إذا انخفضت كثافة الواط في نفس الوقت إلى 5-6 وات/سم². لا يوجد نظام يمكن أن يحدث فيه ركود في التدفق مقبول بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ 316، بغض النظر عن سمكه. يجب على المهندسين الذين يحددون سخانًا لهذه البيئة الصعبة أن يحددوا ليس فقط سمك الجدار، ولكن أيضًا أقل سرعة تدفق مسموح بها، والحد الأقصى لكثافة الواط، وطريقة التحقق (اختبار القسيمة أو المراقبة الكهروكيميائية) التي يجب اتباعها أثناء الخدمة. يؤدي هذا إلى تغيير متطلبات الأبعاد الأساسية لتقنية إدارة التآكل المعتمدة التي تربط بشكل مباشر سمك الجدار بمقاومة الحفر والأداء الحراري في أنظمة الجليكول الملوثة بالكلوريد.