מהו עובי המעטפת המאומת עבור מחממי נירוסטה 316 בתמיסת 25% אמוניום חנקתי ב-110 מעלות עם לחץ של 3 בר וללא כלורידים

שירות דשנים מחמצנים: הסחר הבסיסי-

תמיסת 25% אמוניום חנקתי (NH₄NO₃) היא מתווך נפוץ בייצור דשנים וכנוזל העברת חום בחלק מהפעולות התעשייתיות. האטמוספירה מתחמצנת מאוד ב-110 מעלות צלזיוס ובלחץ של 3 בר בגלל נוכחות יון חנקתי שהוא מעכב קתודי ולמעשה פסיבי פלדת אל חלד 316. פיתול הוא הדאגה העיקרית כאשר משתמשים בתמיסות המכילות כלוריד. במקרה של חנקתי אמוניום יש לשים לב לשני מנגנוני כשל שונים: פיצוח קורוזיה במתח בתמיסות חנקה מרוכזות וקורוזיה כללית אם ה-pH גולש מחוץ לתחום היציב. ללא כלורידים החלטת העובי קלה הרבה יותר. עבור פונקציה זו, עובי המעטפת המאומת נשלט על ידי שלמות מכנית, קצבת קורוזיה אחידה, ועמידות בפני פיצוח- הנגרמת על ידי חנקה. יעילות תרמית היא שיקול מינורי אך חשוב.

התנהגות אלקטרוכימית בתמיסות NO3

יון החנקה הוא חומר מחמצן חזק מאוד והוא מגן על הסרט הפסיבי על פלדת אל חלד 316 בטווח רחב של טמפרטורות וריכוזים. פוטנציאל הקורוזיה באמוניום חנקתי 25% ב-110°C נע בממוצע בין +200 ל-+400 mV לעומת אלקטרודת ייחוס של כסף-כלוריד כסף ונמצא היטב באזור הפסיבי. שיעור הקורוזיה האחיד בסביבות כאלה הוא נמוך מאוד, בסדר גודל של 0.002-0.008 מ"מ בשנה על סמך מחקרי ירידה במשקל של ציוד המשמש בעסקי הדשנים. קצבת קורוזיה אחידה לעשר שנים היא 0.02-0.08 מ"מ עבור מחמם קיר 1.2 מ"מ ומתכת הצליל היא יותר מ-1.1 מ"מ. ביישום זה, העובי אינו מונע על ידי קורוזיה אחידה. הסרט הפסיבי יציב אם ה-pH של התמיסה הוא בין 4 ל-9. יון האמוניום הוא חומצה חלשה, ומכאן שלתמיסות אמוניום חנקתי יש מטבע הדברים pH בטווח של 5-6, שהוא טווח pH יציב. ניתן להגביר את קצב הקורוזיה אם התמיסה מזוהמת בחומצה (מהפרעות בתהליך במעלה הזרם) או באלקלי (מחומרי ניקוי). עם זאת, תקלות כאלה הן בדרך כלל לטווח קצר ואינן דורשות קצבת קורוזיה גדולה.

סיכון לסדיקת קורוזיה חנקה

פיצוח קורוזיה במתח (SCC) הוא הדאגה העיקרית עבור פלדת אל חלד 316 בתמיסות חמות של אמוניום חנקתי. Nitrat SCC הוקם באופן נרחב עבור פלדות אל חלד אוסטניטיות והרגישות עולה עם הטמפרטורה וריכוז החנקות. ב-110°C ו-25% אמוניום חנקתי, הסיכון ל-SCC בינוני, אך לא מבוטל. הגורמים המכריעים לתחילת SCC הם מתח מתיחה (מייצור או לחץ) וקיומו של ציפוי חנקתי מרוכז על פני השטח. SCC ניטראט יכול להתפתח בטווח פוטנציאלי רחב, בעוד שכלוריד SCC מתרחש בפוטנציאלים ספציפיים. קצב התפשטות הסדקים של Nitrat SCC בנירוסטה 316 ב-110°C הוא בדרך כלל 0.05-0.2 מ"מ לשנה לאחר ההתחלה. הדאגה הבסיסית עבור נדן מחמם היא מתחי המתיחה הנותרים משרטוט צינורות וכיפוף. באופן כללי, ככל שעובי הדופן נמוך יותר, המתחים השיוריים נמוכים יותר, מכיוון שפחות עבודה קרה נחוצה כדי להשיג את הממד הסופי. צינור משוך באורך 1.2 מ"מ מכיל בדרך כלל מתח חישוק שיורי של 50-100 MPa, בעוד שלצינור של 2.0 מ"מ עשוי להיות 80-150 MPa. לקיר העבה יותר יש מתח שיורי גבוה יותר, מה שמגביר את ההסתברות להתחלת SCC. ניסיון בשטח בפועל עם מאיידי אמוניום חנקתי הראה שדופנות דקיקות-(1.2-1.5 מ"מ) 316 תנורי נירוסטה מחזיקים מעמד בחוממים בעלי דופן עבה (2.0-2.5 מ"מ) באופן עקבי. ניתוח תקלות הראה כי כשלים בקירות עבים נגרמות על ידי SCC בעוד שקירות דקים נכשלים מסיבות אחרות שאינן קורוזיות לאחר שירות ממושך.

סרגל שמירה על לחץ - 3

בלחץ מערכת של 3 בר, הדרישה למתח החישוק היא די קטנה. עבור צינור עם OD=12 מ"מ וקיר=1.2 מ"מ, מתח החישוק הוא 0.3 MPa x 4.8 מ"מ / 1.2 מ"מ=1.2 MPa. עבור קיר בגודל 2.0 מ"מ, המתח הוא 0.3 MPa x 4.0 מ"מ/2.0 מ"מ=0.6 MPa. שניהם קטנים בהשוואה לחוזק התשואה של 170 MPa. העובי של כלי הלחץ אינו צריך להיות מיוחד. אבל המחמם חייב להיות חזק מספיק מבחינה מכנית כדי לעמוד בפני מומנט ההתקנה בחיבורי ההברגה. עבור חיבור אמין אתה צריך עובי חיבור חוט מינימלי של 1.0-1.2 מ"מ. פחות מ-1.0 מ"מ, הסיכון להתפשטות חוטים או עיוותים עולה באופן משמעותי, במיוחד בתנורי חימום בקוטר גדול יותר.

צורכי חימום תהליך ויעילות תרמית

המוליכות התרמית של תמיסות אמוניום חנקתי דומה לזו של מים, כלומר . 0.60-0.65 W/m K ב-110°C. מקדם העברת החום ההסעה לזרימה טורבולנטית הוא 1000-2000 W/m²·K בהתאם למהירות. ההתנגדות התרמית של המעטפת היא כ-0.0004 m²·K/W עבור עובי דופן של 1.2 מ"מ ו-0.0007 m²·K/W עבור עובי דופן של 2.0 מ"מ. הבדל זה מתאים להפרש טמפרטורת מעטפת של 3-4 מעלות צלזיוס בצפיפות וואט של 10 W/cm² (נפוץ עבור מחממי מחזור). עבור תהליך הרגיש להתחממות יתר מקומית, חיוני לשמור על טמפרטורת הנדן נמוכה ככל האפשר. אמוניום חנקתי יכול להתפרק אקסותרמית מעל 180 מעלות צלזיוס. קיר בגודל 1.2 מ"מ מחמם תמיסה בתפזורת של 110°C ב-10 W/cm² לכ-125-130°C על פני המעטפת. קיר 2.0 מ"מ פועל ב-128-134 מעלות. טמפרטורת הפירוק של חנקתי אמוניום היא בערך 200 מעלות. שניהם עם זאת נמוכים בהרבה וההבדל התרמי אינו משמעותי בטיחותי. עם זאת הקיר הדק יותר הוא קצת יותר טוב עבור יעילות אנרגטית.

הנחיות עובי מאושרות מניסיון בתעשייה

לתחום הדשנים יש ניסיון תפעולי רב עם ציוד נירוסטה 316 בשירות אמוניום חנקתי. לתנורי הטבילה והסירקולציה יש טווח עובי נדן מוכח של 1.2-1.6 מ"מ לאמינות לטווח ארוך. שימוש בקירות דקים מתחת ל-1.0 מ"מ מונע על ידי בעיות טיפול מכאניות. הקירות העבים יותר מעל 1.8 מ"מ נמנעים גם הם מכיוון שהם מדגימים מתח שיורי גבוה יותר וסבירות גבוהה יותר לכשל SCC. בטווח המוכח, 1.4-1.5 מ"מ נחשבת לפשרה הטובה ביותר, עבה מספיק לחוזק מכני והקצבת קורוזיה מתונה, אך דקה מספיק כדי למזער את הלחץ השיורי ואת הסיכון ל-SCC. עבור אורך חיים עיצובי של 10 שנים ב-25% אמוניום חנקתי ב-110°C ולחץ של 3 בר ללא כלורידים, עובי דופן של 1.4 מ"מ הוא הולם לחלוטין. מתקנים עם תקני טיפול טובים עשויים להשתמש גם בקיר של 1.2 מ"מ. הקיר של 1.6 מ"מ נותן שוליים מכאניים נוספים אך ללא יתרון קורוזיה או SCC על פני 1.4 מ"מ.

קירות עבים יותר שהם למעשה גרועים יותר

קירות עבים יותר אינם נחוצים בשירות אמוניום חנקתי, ועלולים להיות מסוכנים. המתחים השיוריים המוגברים הנובעים מייצור צינורות עבים יותר מגבירים את הכוח המניע להתחלת SCC. כאשר מתפתח סדק, לקיר העבה יותר יש יותר חומר לשבור, אך קצב גידול הסדק אינו תלוי בעובי. קיר בגודל 2.0 מ"מ עם צמיחת סדק של 0.1 מ"מ לשנה ייקח 20 שנה לנקב, קיר של 1.2 מ"מ ייקח 12 שנים. אבל לקיר העבה יותר יש סיכון גדול יותר להתחלת סדקים. נתוני שדה ממפעלי אמוניום חנקתי מצביעים על כך שתנורי חימום עם קירות של 2.0-2.5 מ"מ נכשלים מ-SCC תוך 3-6 שנים, בעוד שתנורי חימום עם קירות של 1.2-1.5 מ"מ מאותו מפעל פועלים במשך 8-12 שנים ולעיתים נכשלים כתוצאה מהשפלה של בידוד חשמלי, ולא מניקוב מעטפת. התוצאה המוכחת היא שקירות דקים יותר עדיפים במצבי SCC של ניטראט בגלל הפחתת זנים שיוריים.

השוואה של אפשרויות עובי מאומתות

הסתברות למתח חישוק שיורי של תחילת SCC עובי הנדן קצבת קורוזיה אחידה (10 שנים) חוסן מכאני חיי שירות מוכחים בשטח
1.0 מ"מ 40-80 MPa נמוך 0.02-0.08 מ"מ שולי 8-10 שנים (תלוי בטיפול)
1.2 מ"מ 50-90 MPa נמוך 0.02-0.08 מ"מ מתאים 10-12 שנים
1.4 מ"מ 60-100 MpaLow-בינוני 0.02-0.08 מ"מ טוב 10-12 שנים (יותר טוב)
1.6 מ"מ 70-110 MPa בינוני 0.02-0.08 מ"מ8-10 שנים טוב מאוד
2.0 מ"מ 90-140 MPaModerate-גבוה 0.02-0.08 מ"מ מצוין 5-7 שנים (מוגבל SCC)
2.5 מ"מ 110-160 MPa גבוה 0.02-0.08 מ"מ מצוין 3-5 שנים (מוגבל SCC)
מסקנה: עובי אושר לאמינות לטווח ארוך

316 מחממי נירוסטה בתמיסת אמוניום חנקתי 25% ב-110°C עם לחץ של 3 בר ללא כלורידים. טווח עובי המעטפת המוכח נע בין 1.2-1.6 מ"מ כאשר 1.4-1.5 מ"מ מתאים לרוב ההתקנות. מנקודת מבט של קורוזיה, קירות דקים מתחת ל-1.2 מ"מ מקובלים, אך נמצאים בסכנה של נזק מכני במהלך ההתקנה והניקוי. הקירות העבים יותר מעל 1.6 מ"מ מכילים מתחים שיוריים גדולים יותר אשר מעלים את הסכנה של פיצוח קורוזיה במתח החנקתי, ולפיכך יש להם חיי שירות נמוכים יותר, אפילו עם כמות מתכת גבוהה יותר. זה מנוגד להנחה ההנדסית הכללית שבסביבה זו עבה יותר תמיד טוב יותר לעמידות בפני קורוזיה. זה נובע מהעובדה שמנגנון הכשל הגדול (SCC) מונע על ידי מתח שיורי, שגדל עם העובי. מהנדסים הבוחרים בתנור חימום לחנקת אמוניום צריכים לציין מתח שיורי מרבי מותר (בדרך כלל 100 MPa) ולא עובי מינימלי. זה מבטיח כי היצרן משתמש בצינור מחושל כראוי עם מתח שיורי נמוך, שהוא משמעותי יותר מעובי הדופן המוחלט. ניתן לציין את רוב היישומים עם 1.4-1.5 מ"מ במצב חישול תמיסה כדי לספק את השילוב המאושר של חוסן מכאני, עמידות SCC ויעילות תרמית למשך עשר שנות חיי שירות.