מהו ההבדל בביצועים לטווח ארוך-בין 1.5 מ"מ ל-2.5 מ"מ עובי מעטפת עבור תנורי חימום מנירוסטה 316 ב-10% חומצה זרחתית גולמי ב-80 מעלות עם גבישים שוחקים

הסחר הבסיסי-בשירות של ייצור חומצה זרחתית

ייצור חומצה זרחתית -רטוב מייצר תמיסה גולמית של 10% חומצה זרחתית בתערובת של גבישי סידן סולפט המיהידראט או דיהידראט, חלקיקי סלע פוספט שאינם מגיבים ומזהמים מתכתיים שונים. זוהי סביבה אגרסיבית מאוד בגלל השילוב של מדיום חומצי עדין (pH 1-2) וחלקיקים מוצקים אשר שוחקים את הציפוי הפסיבי על פלדת אל חלד 316. מחממי טבילה חשמליים ברכזי חומצה זרחתית ובמיכלי תקיפה נתונים לקורוזיה כימית משולבת ושחיקה מכנית. ההחלטה על עובי המעטפת, 1.5 מ"מ לעומת 2.5 מ"מ, היא חישוב ביצועים לטווח ארוך שבו המתכת הנוספת בדופן העבה יותר צריכה להיות מאוזנת מול ההשלכות התרמיות והמכניות של ריצה עם חתך גדול יותר.{11} שלא כמו שירות נוזל נקי שבו הדאגה היחידה היא קורוזיה, יישום זה כולל ניטור שני מנגנוני השפלה המקיימים אינטראקציה בקמפיינים רב-שנתיים.

שחיקה-תלות בסינרגיות קורוזיה בעובי

שיעור הקורוזיה האחיד של נירוסטה 316 בחומצה זרחתית נקייה ב-80 מעלות הוא כ-0.1-0.3 מ"מ לשנה בהתאם לכמות זיהומי הפלואוריד והכלוריד בחומצה הגולמית. על ידי הוספת גבישים שוחקים (גבישי סידן סולפט המיהידראט) בדרך כלל בגודל 10-100 מיקרון ועם קשיות Mohs של 2.5-3.0, מנגנון הפירוק עובר מקורוזיה טהורה לקורוזיה{18}}שחיקה. הציפוי הפסיבי המגן מוסר ברציפות על ידי החלקיקים הפוגעים החושפים מתכת טרייה לחומצה. שיעור השחיקה-אינו רק הסכום של שיעור השחיקה הטהור ושיעור הקורוזיה הטהור. במקום זאת, מתרחשת אפקט סינרגי, שבו קצב הקורוזיה של המתכת המנותקת-מתמשכת גדול משמעותית מקצב הקורוזיה של משטח פסיבי יציב. תוצאות שפורסמו עבור פלדת אל חלד 316 בחומצה זרחתית 10% עם 5-10% חלקיקים ב-80 מעלות ומהירות תמיסה של 1.5 מ"ש לשנייה מציגות שיעורי שחיקה-קורוזיה של 0.6-1.2 מ"מ בשנה, שהם פי שלושה עד שישה מקצב הקורוזיה הטהור. הזמן המחושב עד לניקוב מתחת לשחיקה-קורוזיה המתמשכת הוא 1.3-2.5 שנים עבור עובי דופן של 1.5 מ"מ. עבור קיר 2.5 מ"מ, הזמן המחושב הוא 2.1-4.2 שנים. אולם חישובים אלו מניחים שיעור שחיקה-קורוזיה קבוע. למעשה, ככל שהקיר נהיה דק יותר, התפלגות המתח המקומית על פני השטח משתנה וקצב השחיקה עשוי לגדול מכיוון שקיר דק יותר מתהפך יותר במגע עם חלקיקים, מה שמוביל למתחים מקומיים גדולים יותר ששברים את פני השטח ביתר קלות. נתונים סטטיסטיים של ביצועים ארוכי טווח ממפעלי חומצה זרחתית מראים כי קצב השחיקה-קורוזיה עולה בדרך כלל ב-20-40% כאשר עובי הדופן קטן מ-1.0 מ"מ. אז הקיר של 2.5 מ"מ מתחיל עם יותר מתכת ולוקח יותר זמן להיכנס למשטר האצה הזה.

תפקיד מכני של עובי קירות ואנרגיית השפעת קריסטל

הגבישים השוחקים בתמיסת החומצה הזרחתית הגולמית לא פשוט מחליקים על פני השטח אלא פוגעים בו מזוויות שונות בהתאם לדפוס הזרימה על המחמם. בזרימה צולבת-, חלקיקים בתרחיץ פוגעים בקצה המוביל של צינור חימום גלילי בזוויות כמעט נורמליות (אנרגיית השפעה גבוהה, שחיקה גדולה ביותר) ובצדדים בזוויות מבט (שחיקה נמוכה יותר). אנרגיית ההשפעה של גביש סידן סולפט הנעים במהירות של 1.5 מטר לשנייה היא 0.5 עד 2 מיקרו ג'אול בהתאם לגודל החלקיקים. אנרגיה זו מספיקה כדי לייצר דפורמציה מיקרו-פלסטית על פני השטח של פלדת אל-חלד 316. עומק השכבה המעוותת פלסטית מכל פגיעה הוא בדרך כלל 1-5 מיקרון. ההסרה הכוללת של החומר מושגת על ידי תהליך עייפות עם מספר רב של השפעות: פגיעות חוזרות ונשנות מייצרות התקשות עבודה, התחלת שבר ולבסוף הפרדה של חלקי מתכת קטנים. קצב הסרת החומרים עומד ביחס הפוך לקשיות המתכת ותלוי גם ביכולת של החומר בתפזורת הבסיסית לספוג אנרגיית השפעה מבלי להתנפץ. קיר עבה יותר מוביל לבסיס אלסטי גדול יותר מתחת למשטח המושפע. עבור נירוסטה 316, מודול האלסטי הוא 193 GPa וקשיחות דופן הצינור בכיפוף פרופורציונלית לקוביית העובי עבור קוטר חיצוני נתון. לעובי דופן של 2.5 מ"מ יש קשיחות כיפוף של בערך פי 4.6 מזה של עובי דופן של 1.5 מ"מ (2.5³/1.5³=4.6). הקשיחות המוגברת מפחיתה את הסטייה הדינמית בעת פגיעת חלקיקים, ובכך מפחיתה את שיא הלחץ במגע וקצב השחיקה. תצפיות שדה במחממי צמחים זרחניים מצביעים על כך ששיעורי השחיקה של צינורות קיר בגודל 2.5 מ"מ בקצה המוביל הם לעתים קרובות ב-20-30% פחות מצינורות קיר של 1.5 מ"מ באותם תנאי תרחיץ אך ורק בשל השפעת הקשיחות.

עונש על ביצועים תרמיים של קיר עבה יותר בשירות חיטוי

ידוע היטב כי תמיסת חומצה זרחתית מזהמת. גבישי סידן סולפט נוטים להצטבר על משטחים חמים. זה גורם להיווצרות אבנית אשר מבודד את הצינור ומגביל את העברת החום. קצב התפתחות האבנית תלוי בטמפרטורת פני השטח ביחס לעקומת המסיסות של סידן סולפט. כאשר טמפרטורת הנדן היא מעל 90-95 מעלות, המסיסות של המיהידראט של סידן סולפט יורדת והמשקעים שלו מואצים. מחמם קיר בגודל 1.5 מ"מ עם צפיפות וואט של 6 W/cm2 בחומצה בתפזורת של 80 מעלות יש טמפרטורת פני המעטפת של כ-95-100 מעלות, בסף קנה המידה המואץ. באותה צפיפות וואט, דופן של 2.5 מ"מ מובילה לטמפרטורת מעטה של ​​110-120C, הרבה בתוך טווח קנה המידה. לצינור הקיר בגודל 2.5 מ"מ יצטבר אבנית- מהר יותר ועבה יותר מהצינור בגודל 1.5 מ"מ. ברגע ששכבת האבנית נמצאת במקומה, היא מוסיפה התנגדות תרמית משלה, שדוחפת את טמפרטורת הנדן גבוה עוד יותר במחזור{33}}מחזק עצמי. עובי הדופן המקביל של 4.0 מ"מ של ההתנגדות התרמית האפקטיבית של דופן של 2.5 מ"מ עם אבנית של סידן סולפט של 0.5 מ"מ. קנה מידה זה לא רק מעכב את הובלת החום אלא גם מייצר סדקים מתחת לכימיה של חומצה בתפזורת אשר מתרכזים מקומית ומאיצים את הקורוזיה. לפיכך ההבדל בביצועים לטווח ארוך של שני העוביים תלוי באופן חיוני ביכולת להתאים את הסולם. הקיר בגודל 2.5 מ"מ יכול להשיג את חיי השחיקה-קורוזיה הממושכים שלו בצמחים באמצעות ניקוי מכני (ספינרים או מגרדים) או הסרת אבנית כימית. הקיר בגודל 1.5 מ"מ עשוי למעשה לתפקד טוב יותר בצמחים שבהם מותר להצטבר אבנית. טמפרטורת פני השטח הנמוכה יותר מעכבת את היווצרות האבנית, וכאשר נוצרת אבנית, דופן הבסיס הדק יותר שומר על שטף חום גבוה יותר דרך שכבת הקיר המשולבת בקנה מידה.

רכיבה תרמית ולחצי התרחבות דיפרנציאליים

רכזי החומצה הזרחתית פועלים במחזורי אצווה או עם הזנה לסירוגין והמחמם עובר מחזוריות תרמית מסביבה ל-80 מעלות ובחזרה. כל מחזור חימום גורם למתחי התפשטות דיפרנציאליים בין חוט ההתנגדות, בידוד תחמוצת המגנזיום ונדן הנירוסטה. מכיוון שקטע עבה יותר נותן יותר התנגדות להתפשטות והתכווצות תרמית, משרעת הלחצים הללו היא פרופורציונלית לעובי הנדן. מקדם ההתפשטות עבור נירוסטה 316 עבור שינוי טמפרטורה של 80 מעלות הוא בערך 0.1% (16 × 10-6/ מעלות x 80 מעלות=0.00128). עבור צינור בקוטר חיצוני 12 מ"מ הרחבה זו היא 0.015 מ"מ. קיר בגודל 1.5 מ"מ עשוי להתמודד ביתר קלות עם ההתרחבות על ידי עיוות אלסטי מאשר קיר של 2.5 מ"מ. הקיר העבה יותר נתון ללחצים מחזוריים גדולים יותר במגע בין המעטפת לבין בידוד תחמוצת המגנזיום במשך אלפי מחזורים. זה יכול להוביל לסדק של הבידוד שמפחית את החוזק הדיאלקטרי ולבסוף מוביל לכשל חשמלי. נתוני ביצועים ארוכי טווח- ממפעלי זרחן מצביעים על כך שלמחממי קיר בגודל 2.5 מ"מ יש שיעור גבוה יותר של כשל חשמלי (התמוטטות בידוד) מאשר למחממי קיר של 1.5 מ"מ לאחר 3-5 שנות שירות, גם כאשר לקיר של 2.5 מ"מ עדיין נותר עובי מתכת מתאים. הקיר העבה יותר מקריב חיי קורוזיה-שחיקה לחיי עייפות תרמית.

תקציר השוואת ביצועים לטווח ארוך{{0}

ביצועים מטרי 1.5 מ"מ נדן 2.5 מ"מ נדן
קצב קורוזיה-שחיקה עם 1.5 מ"מ לשנייה תמיסת 0.6-1.2 מ"מ לשנה 0.5-0.9 מ"מ לשנה (20-30% נמוך יותר בגלל קשיחות)
זמן עד לנקב (הערכה) 1.3 עד 2.5 שנים 2.8 עד 5.0 שנים
טמפרטורת הנדן ב-6 W/cm² 95-100 מעלות 110-120 מעלות
קצב קנה המידה (סידן סולפט) בינוני (משטר סף) גבוה (משטר מואץ)
חיי עייפות תרמית (מחזורים עד כשל בידוד) 4000-7000 מחזורים 8000-12000 מחזורים
חיי שירות טיפוסיים המדווחים עבור מפעלי זרחן הם 2-4 שנים (בהיקף מוגבל) 3-5 שנים (עייפות תרמית מוגבלת)
שימוש מיטבי מפעלים עם יכולת הסרת אבנית, תפעול אצווה שירות מתמשך עם מעט מקום לקנה מידה
אסטרטגיות מעשיות להארכת חיים מעבר לבחירת עובי

עובי המעטפת לבדו לא יפתור את בעיית תמיסת החומצה הזרחתית. הוכחו שלושה פתרונות משלימים כדי להאריך את חיי המחמם מעבר למה שניתן לחזות על סמך עובי בלבד. 1. ניהול זרימה: יישור צינורות המחמם במקביל לזרימת הסילוף במקום בניצב מקטין את זוויות הפגיעה ושיעורי השחיקה ב-40-60%. שנית, התקשות פני השטח: ניטרד או בורוניזציה של פני השטח של נירוסטה 316 מעלים את הקשיות מ-200 HV ל-800-1000 HV, ומפחיתים מאוד את שיעורי השחיקה מבלי להגביר את ההתנגדות התרמית. צינור 1.5 מ"מ עם משטח קשיח יותר יכול להיות עמיד פי שניים מצינור 2.5 מ"מ ללא משטח קשיח. שלישית, ניהול אבנית, כאשר טמפרטורת החומצה בתפזורת נשמרת מתחת ל-75 מעלות או שימוש במעכבי אבנית כגון פוליאקרילטים, שומר על פני המעטפת מתחת לסף משקעי סידן גופרתי, כך שניתן להשתמש בקירות דקים יותר ויעילים יותר מבחינה תרמית. חלק מהמפעלים השתמשו במחממי קיר בגודל 1.2 מ"מ עם התקשות פני השטח ועיכוב אבנית במשך חמש שנים או יותר ללא בעיות, בעוד שמחממי קיר בגודל 2.5 מ"מ לא מטופלים נכשלו עקב התחממות יתר שנגרמה אבנית.

מסקנה: הבדל בביצועים מוסבר לפי תנאי הפעלה

הפרש הביצועים לטווח הארוך בין 1.5 מ"מ ל-2.5 מ"מ עובי דופן עבור 316 מחממי נירוסטה ב-10% חומצה זרחתית גולמי ב-80 מעלות אינו יתרון פשוט עבור הדופן העבה יותר. הדופן בגודל 2.5-מ"מ מעניקה פי 1.5 עד פי 2.0 את חיי השחיקה-בשירות קנה המידה -מתמשך, נמוך, אך סובל מטמפרטורות פני השטח גבוהות יותר שמגבירות את קצב האבנית ומחיי עייפות תרמית מופחתים. 1.5מ"מ לקיר יש ביצועים טובים יותר ומפחיתים את הביצועים התרמיים, ומפחיתים את הביצועים התרמיים, מאגר מתכת לשחיקה-לקורוזיה. עבור רוב צמחי החומצה הזרחתית, העובי האופטימלי נמצא בין שני הקצוות הללו, בסביבות 1.8-2.0 מ"מ, עם התקשות פני השטח ושליטה באבנית. אם מפעל עם בקרת אבנית טובה והפעלה רציפה נאלץ לבחור בין השניים, יש לבחור את הקיר בגודל 2.5 מ"מ כדי למקסם את חיי השחיקה-קורוזיה. עבור מפעלים הפועלים במצב אצווה, עם מחזוריות תרמית תכופה או יכולות הסרת אבנית מוגבלות, ייבחר עובי דופן של 1.5 מ"מ כדי למנוע אבנית וכשלי עייפות תרמית. הצרכים של טיפול פני השטח וכיוון הזרימה צריכים להיות נתון במפרט, מה שהופך בחירה פשוטה של ​​עובי לעיצוב מלא של תנור חימום לטיפול בשפשוף.