מהי ההצדקה ההנדסית לעובי מעטה של ​​1.2 מ"מ לעומת 2.0 מ"מ במחממי טבילת מים בדוד נירוסטה 316 ב-150 מעלות ו-6 בר

שירות מים בלחץ בטמפרטורה גבוהה: הסחר הבסיסי-

אחד התנאים הקשים ביותר עבור כל חומר נדן מתכתי הוא מחממי טבילה בדוד. המים נוזליים בטמפרטורה של 150C ולחץ של 6 בר אך קרובים לעקומת הרוויה שלהם, כך שכל תנועת טמפרטורה מקומית על פני המעטפת יכולה ליזום רתיחה של גרעיני או אפילו רתיחה של סרט. בנסיבות אלה עם כימיית מים מנוהלת כהלכה, לנירוסטה 316 יש עמידות כללית נאותה בפני קורוזיה. עם זאת, שני מנגנוני כשל הופכים חשובים. פיצוח קורוזיה במתח מהידרוקסידים מרוכזים ובור מכל חדירת כלורידים. הבחירה של עובי נדן של 1.2 מ"מ לעומת 2.0 מ"מ אינה עניין של בחירה. כל מספר מייצג פילוסופיה הנדסית שונה עם הסברים מגוונים המבוססים על בלימת לחץ, קצבת קורוזיה, תגובה תרמית ושליטה במשטר הרתיחה. מחקר זה מציג את ההיגיון ההנדסי עבור כל אפשרות עובי ומזהה את הנסיבות שבהן אחד עולה בבירור על השני.

הצדקה לשמירת לחץ ב-6 בר, 150 מעלות

מתח החישוק במעטפת נירוסטה 316 בלחץ פעולה של 6 בר (מד) מחושב באמצעות נוסחת גליל הקיר הדק-. הרדיוס הפנימי של הצינור בקוטר חיצוני של 12 מ"מ ועובי של 1.2 מ"מ הוא 4.8 מ"מ. מתח החישוק הוא הלחץ כפול הרדיוס הפנימי חלקי עובי הדופן: 0.6 MPa כפול 4.8 מ"מ חלקי 1.2 מ"מ שווה ל-2.4 MPa. עבור עובי דופן של 2.0 מ"מ, הרדיוס הפנימי הוא 4.0 מ"מ ומתח החישוק הוא 0.6 MPa × 4.0 מ"מ / 2.0 מ"מ=1.2 MPa . שני הנתונים נמצאים בכמה סדרי גודל מתחת לחוזק התפוקה של נירוסטה 316 ב-150 מעלות של בערך 170 MPa. בלימת הלחץ אינה מצדיקה את הקיר העבה יותר. אפילו לקיר 1.2 מ"מ יש מקדם בטיחות של 70 נגד כשל תפוקה. כדי להיות אטום ללחץ ב-6 בר, עובי הדופן הנדרש הוא מינימלי של פחות מ-0.3 מ"מ. הבסיס ההנדסי של כל אחד מהעובי חייב אפוא להתבסס על נימוקים אחרים ולא על שיקולים של לחץ פרוץ.

למה קצבת קורוזיה בכימיה של מי הדוד

מי הדוד מטופלים בדרך כלל כדי לשמור על תנאים בסיסיים (pH 9-11) וכדי לחסל חמצן מומס, כלורידים ומינים עוינים אחרים. שיעור הקורוזיה הכללי של נירוסטה 316 בכימיה אופטימלית של מים ב-150 מעלות הוא נמוך למדי, בערך 0.005-0.015 מ"מ לשנה. קיר של 1.2 מ"מ עשוי לעמוד רק 80 עד 240 שנים תחת התקפה עקבית. אבל למערכות דוודים מקוריות יש את התנאים המעורערים שלהן: דליפות קונדנסר מכניסות כלורידים, טיפול כימי רע גורם לריכוז קאוסטי או לחדירת חמצן במהלך תחזוקה. שיעורי קורוזיה מקומיים הוערכו כ-0.1-0.3 מ"מ לשנה בתנאי הלם. עובי הקיר הוא 1.2 מ"מ, מה שנותן קצבת קורוזיה של נניח 0.6-0.7 מ"מ לפני שמגיעים לעובי המבני המינימלי של 0.5 מ"מ. היתר זה ינוצל תוך 3 עד 4 שנים בשיעור קורוזיה של 0.2 מ"מ לשנה. הקיר בגודל 2.0 מ"מ נותן קצבת קורוזיה של 1.3-1.4 מ"מ, ומאריך את זמן ההישרדות המופרע לשש עד שמונה שנים. אז הסיבה ההנדסית לקיר 2.0 מ"מ בשירות מי הדוד אינה לתנאי הפעלה רגילים אלא לחוסן בפני שיבושים בכימיה של המים. ניתן להצדיק את הקיר הדק יותר עבור מתקנים עם ניטור ובקרה טובים של טיפול במים. יש להצדיק את הקיר העבה יותר כהגנה מפני הפרעות עבור מתקנים בעלי איכות מי הזנה משתנה, דליפות מעבה תכופות או כוח אדם מוגבל לטיפול כימי.

שליטה במשטר הרתיחה והבדל עובי קריטי

הסיבה ההנדסית הייחודית ביותר להבדל בין 1.2 מ"מ ל-2.0 מ"מ היא באינטראקציה של כל עובי עם משטר הרתיחה על פני המעטפת. בלחץ של 150 מעלות ו-6 בר, טמפרטורת הרוויה של המים היא 150 מעלות. מעטפת המחמם צריכה להיות מעל הטמפרטורה בתפזורת כדי להעביר חום ולכן טמפרטורת פני השטח היא בדרך כלל 160-180 מעלות בהתאם לצפיפות הוואט ותנאי הזרימה. טמפרטורות כאלה מעוררות רתיחה של גרעין. השני, רתיחה גרעינית, מתרחשת כאשר בועות אדים נוקזות מאתרי גרעין על פני המעטפת, גדלות ומתנתקות, והיא יעילה מאוד בהעברת חום. אבל אם שטף החום גדול מדי או טמפרטורת פני השטח מעל ערך מסוים, רתיחה גרעינית תשתנה לרתיחה של סרט כאשר שכבת אדים רציפה מבודדת את הנדן ומובילה לעליית טמפרטורה מהירה. עובי הדופן משפיע על טמפרטורת פני השטח בצפיפות וואט מסוימת. עבור צפיפות וואט נתונה של 12 W/cm 2 על פני המעטפת במים של 150 מעלות, לעובי דופן של 1.2 מ"מ תהיה טמפרטורת פני השטח של סביב 165-170 מעלות, שהיא הרבה בתוך משטר הרתיחה של הגרעין. באותה צפיפות וואט, קיר של 2.0 מ"מ עם התנגדות תרמית מוגברת מניע את טמפרטורת פני השטח ל-180-185 מעלות. זה קרוב לשטף החום הקריטי של מים בלחץ ובטמפרטורה אלו. אם אתה קרוב יותר למעבר הרתיחה של הסרט אתה מסתכן בסטייה מהירה בטמפרטורה אם הזרימה יורדת או צפיפות הוואטים עליות. אז הבסיס ההנדסי לקיר בגודל 1.2 מ"מ הוא ביצועים תרמיים טובים יותר ומרווח גבוה יותר נגד רתיחה של הסרט. הקיר הדק יותר שומר על טמפרטורת פני השטח נמוכה יותר, מה שמאפשר צפיפות וואט גדולה יותר או חיץ נגד הפרעות בתהליך.

רגישות של מי הדוד להתרכז לפיצוח קורוזיה

פיצוח קורוזיה קאוסטית (CSCC) הוא מנגנון כשל מוכר לפלדות אל-חלד אוסטניטיות בתנאי מים בדוד שבהם יש ריכוז קאוסטי מקומי מתחת למשקעים או בקו המים. הרגישות ל-CSCC עולה עם הטמפרטורה ועם ריכוז נתרן הידרוקסיד. מתח הסף עבור CSCC של נירוסטה 316 הוא כ-150-200 MPa ב-150 מעלות בתמיסות קאוסטיות מדוללות אך יורד במהירות עם עליית הטמפרטורה. ישנם שני מקורות למתח מתיחה שיורי במעטפת מחמם: מתח הלחץ הפנימי (המוצג לעיל כמינימלי) וייצור מתחים שיוריים משרטוט וכיפוף צינורות. שאר מתחי החישוק בצינורות נירוסטה 316 נמשכים הם בדרך כלל 50-150 MPa בהתאם למידת העבודה הקרה ומצב החישול של הצינור. קיר של 1.2 מ"מ הוא דק יותר, ולכן יש לו מתחים שיוריים נמוכים יותר לאחר שרטוט מאשר קיר של 2.0 מ"מ. הסיבה לכך היא שפחות עבודה קרה נדרשת כדי להגיע למימד הסופי. ניסיון בשטח מצביע על כך שתנורי חימום בעלי קירות דקים יותר מועדים פחות להתחלת CSCC עקב מתח שיורי נמוך יותר וטמפרטורת פני שטח נמוכה יותר אשר מפחיתה את קצב הריכוז הקוסטי. הבסיס ההנדסי לקיר בגודל 1.2 מ"מ הוא רגישות פנימית נמוכה יותר לסדיקת קורוזיה במתח באותן נסיבות כימיות מים.

תגובה תרמית ובקרת מערכת

מחממי טבילה לדוד משמשים בדרך כלל במערכות הדורשות בקרת טמפרטורה מדויקת. המסה התרמית של הנדן משפיעה על זמן התגובה לאותות בקרה. לקיר של 2.0 מ"מ יש כ-67% יותר מתכת ליחידת אורך מאשר לקיר של 1.2 מ"מ (עבור אותו קוטר חיצוני, כלומר צינור של 12 מ"מ, שטח החתך -של המעטפת גדל מ-40.7 מ"מ ל-62.8 מ"מ). מתכת נוספת זו מתפקדת כקבל תרמי, אשר מאט את קצב השינוי של טמפרטורת הנדן בעת ​​יישום או הסרת חשמל. עבור מערכת שפועלת ומכבה הרבה, הקיר העבה יותר מביא לתנודות טמפרטורה גדולות יותר ותקופות שקיעה ארוכות יותר. חשוב מכך, בגלל השהייה התרמית בין חוט ההתנגדות לפני השטח של המעטפת, מערכת בקרה המגיבה לצמד תרמי המונח על המעטפת תהיה איטית להגיב לשינויים בטמפרטורת החוט. קבוע הזמן להעברת החום מהחוט אל המשטח החיצוני עבור דופן של 1.2 מ"מ הוא בערך 0.5-1.0 שניות. בקיר של 2.0 מ"מ קבוע זמן זה הוא 1.5-3.0 שניות. הבדל זה הוא מינורי עבור רוב בקרות הדוד, אך עבור יישומים דיוק גבוה או מערכות עם שינויי עומס מהירים, הקיר הדק יותר נותן יכולת שליטה משופרת. הרציונל ההנדסי לקיר בגודל 1.2 מ"מ ביישומים אלה הוא היענות דינמית טובה יותר ובקרת טמפרטורה הדוקה יותר.

טבלת סיכום הצדקה הנדסית

שיקול 1.2 מ"מ נדן 2.0 מ"מ נדן
מקדם בטיחות בלימת לחץ ב-6 בר 70 (מעולה) 140 (מעוצב יתר על המידה)
קצבת קורוזיה עבור פעולה רגילה 0.6 מ"מ (80+ שנים) 1.4 מ"מ (180+ שנים)
זמן הישרדות נסער (שיעור קורוזיה 0.2 מ"מ/שנה) 3-4 שנים 6-8 שנים
טמפרטורת פני השטח של 12 W/cm2 165-170 מעלות 180-185 מעלות
מרווח מעבר לסרט רותח גדול קטן
מתח שיורי בייצור נמוך יותר (50-100 MPa) מוגבר (80-150 MPa)
סיכון להפעלת CSCCLowerHigher
קבוע זמן תגובה תרמית 0.5 עד 1.0 שניות 1.5 עד 3.0 שניות
מוצדק יישום רגיל מערכות מבוקרות היטב צפיפות וואט גבוהה בקרת דיוק עיצוב שמרני מערכות מועדות-מי הזנה משתנים
מסקנות: ההצדקה ההנדסית לכל עובי

זה לא מקרה של אחד יותר טוב מהשני. לדוגמה, 316 מחממי טבילת מים בדוד נירוסטה ב-150 מעלות ו-6 בר: עובי מעטפת 1.2 מ"מ או 2.0 מ"מ. הקיר של 1.2 מ"מ מוצדק כאשר כימיית המים נשלטת היטב ומתוחזקת ברציפות, כאשר נדרשת פעולה בצפיפות וואט גבוהה וכאשר זמן תגובה תרמית חשוב. זה גורם לטמפרטורות נמוכות יותר של פני השטח, מרווח גדול יותר נגד רתיחה של הסרט, פחות מתחים שיוריים ופחות רגישות לסדקים בקורוזיה. יש צורך בקיר של 2.0 מ"מ במקום בו צפויה הפרעה בכימיה של מים, יש צורך בזמן הישרדות גדול יותר של הפרעות ובמקומות שבהם קצבת קורוזיה מועדפת על ביצועים תרמיים לפי פילוסופיית התכנון. זה נותן מאגר מתכת גדול יותר להתקפה מקומית אך על חשבון טמפרטורות פני השטח גבוהות יותר ואולי סיכון גבוה יותר ל-CSCC. עבור רוב מערכות הדוודים הנוכחיות שבהן הטיפול הכימי אוטומטי והניטור קבוע, ההצדקה ההנדסית היא בטווח של 1.2-1.5 מ"מ. הקיר בגודל 2.0 מ"מ הוא בחירה זהירה למדי עבור צמחים מבוגרים, צמחים בעלי איכות מים בהרכב משתנה, או נסיבות שבהן המחמם אינו נבדק והחלפה בקלות. במקרים אלו על המהנדס לנמק את הבחירה על בסיס יכולת ניהול כימיה של מים, צרכי תדירות הפרעות וצפיפות וואטים ולא על פי הרעיון השגוי שסמיך יותר הוא תמיד בטוח יותר בשירות מים בלחץ בטמפרטורה גבוהה.