מהו עובי המעטפת המאומת עבור מחממי זרימה מנירוסטה 316 ב-50% פרופילן גליקול עם 2000 ppm כלורידים ב-90 מעלות ובתנאי זרימה נמוכה

הסחר הבסיסי-בעיכוב גליקול עם זיהום כלוריד

פרופילן גליקול (PG) הוא נוזל העברת החום המועדף ביישומי עיבוד מזון, ייצור תרופות ויישומי חליטה שבהם הרעילות של אתילן גליקול אינה מקובלת. תמיסת PG 50% במים מעניקה הגנה טובה להקפאה עד ל-35 מעלות צלזיוס בערך ומתפקדת גם כמעכבת קורוזיה כשהיא מוכנה כהלכה. עם זאת, במעגלי PG תעשייתיים כלורידים נוטים לפלס את דרכם למעגל ממספר מקורות כגון שאריות של חומרי ניקוי, חדירת מי מגדל קירור דרך מחליפי חום או שימוש במי איפור רגילים (לא מרוככים). PG מאבדת את ההגנה מפני קורוזיה ברמות כלוריד של 2000 ppm, שהיא רמה הנצפית בדרך כלל במערכות או מערכות מתוחזקות בצורה גרועה עם דליפת מי ים. בטמפרטורת הפעלה של 90 מעלות ובנסיבות זרימה נמוכות המעדיפות סטגנציה של שכבת הגבול, נירוסטה 316 נמצאת בסיכון ניכר לקורוזיה ולקורוזיה של חרקים. ביישום זה, עובי המעטפת אינו חישוב פשוט של קצבת קורוזיה, אלא תרגיל אימות כדי להדגים כי הקיר הנבחר יכול לעמוד בפני התקפה משולבת של כלורידים, טמפרטורה גבוהה והעברת חום מופחתת עקב זרימה נמוכה.

מנגנון של פיתול המושרה על ידי כלוריד בתמיסות פרופילן גליקול

2000 ppm של כלורידים בתמיסת פרופילן גליקול 50% ב-90 מעלות הם סביבה אגרסיבית לסרט הפסיבי על פלדת אל חלד 316. פרופילן גליקול עצמו מעכב במידה חלשה אולם מנגנון העיכוב שלו תלוי בספיחה של מולקולת הגליקול על פני המתכת. ב-90 מעלות השכבה הנספגת פחות יעילה בגלל תנועה תרמית. יוני כלוריד הם ניידים וזעירים ביותר ומתחרים על מיקומי פני השטח וגורמים לבור בנקודות חלשות כגון תכלילי גופרית או שריטות על פני השטח לאחר פריצת הציפוי הפסיבי. טמפרטורת הפירוק הקריטית של נירוסטה 316 בתמיסת כלוריד של 2000 ppm היא סביב 50-60 מעלות במים בלבד. הנוכחות של המעכב גליקול מעלה את טמפרטורת הגלילה הקריטית ב-50% פרופילן גליקול בסביבות 10-15 מעלות לסביבות 65-75 מעלות. טמפרטורת ההפעלה היא 90 מעלות ובכך המערכת מופעלת מעל טמפרטורת הבור הקריטית, כך ששאלת התחלת הבור אינה "אם" אלא "מתי". ברגע שנוצר בור, ניתן לחזות את קצב הצמיחה שלו על ידי מגמה לוגריתמית או לינארית בהתאם לזמינות החמצן ולהתנגדות התמיסה. תוצאות שפורסמו עבור נירוסטה 316 בגליקול מזוהם כלוריד ב-90 מעלות חושפות שיעורי צמיחה של בור של 0.2 - 0.6 מ"מ לשנה עבור תנאים מאווררים. תעלה המתרחבת בקצב של 0.4 מ"מ לשנה תנקב קיר של 1.5 מ"מ תוך 3.75 שנים עבור תנור חימום עם זמן הפעלה צפוי של 5000 שעות בשנה (כ-60% עבודה). קיר של 2.0 מ"מ יאריך את זה ל-5 שנים. עם זאת, חישובים אלו מבוססים על בור בודד, כאשר למעשה מתחילים מספר בורות והכשל נשלט על ידי העמוק ביותר.

השפעות של תנאי זרימה נמוכה על קורוזיה והגברתה

עבור יישום זה, תנאי זרימה נמוכה מזיקים במיוחד מכיוון שהם מאפשרים לשכבת הגבול על פני המעטפת להפוך לרוויה על גבי מוצרי קורוזיה ויוני כלוריד. הסעה של כלורידים הרחק מהמשטח מוגבלת מאוד למהירויות זרימה של פחות מ-0.5 מ' לשנייה. תכולת הכלוריד על פני המתכת עשויה להיות פי חמישה או עשרה מזו בתפזורת, ולכן מפחיתה מאוד את פוטנציאל הפילטרים. זרימה נמוכה גם מעדיפה רתיחה חלקית או רתיחה של סרט על פני המעטפת כאשר שטף החום חזק. היווצרות וקריסה של בועות מפרקות באופן מכני את השכבה הפסיבית ויוצרות תמיסות כלוריד מרוכזות מקומית בסרט הנוזל הדק שמתחת לבועה. מנגנון זה מוביל לתבנית "טבעת בור" האופיינית הנצפית סביב אתרי גרעין בועות בתנורי חימום שנכשלו. לדוגמה, עבור מחמם זרימה העשוי מפלדת אל חלד 316 המשמש בטמפרטורת נפח של 90 מעלות וצפיפות נדן של 7-8 W/cm2, טמפרטורת פני שכבת הגבול יכולה להיות גבוהה מ-110-120 מעלות אפילו בתנאי זרימה נמוכים. בטמפרטורות אלו סף הבור הקריטי חורג מאוד וקצב התפשטות הבור יכול להיות 1-2 מ"מ בשנה. העובי המאומת חייב אפוא לקחת בחשבון לא רק את ריכוז הכלוריד בתפזורת והטמפרטורה אלא גם את השפעת ההגברה המקומית של זרימה נמוכה. עובי שנראה מספיק בהגדרות בתפזורת עלול להתקלקל תוך חודשים כאשר הזרימה נמוכה מ-0.3 מ"ש.

אינטראקציות תרמיות הידראוליות המגבילות את העובי המרבי

המשחק בין עובי דופן, העברת חום וזרימה נמוכה מטילה מגבלה נוספת על עובי המעטפת המקסימלי האפשרי. עם הגדלת עובי הדופן, ההתנגדות התרמית גדלה, מה שמגביר את טמפרטורת פני המעטפת עבור אותה קלט כוח חשמלי. בזרימה נמוכה, מקדם העברת החום ההסעה כבר מופחת-בדרך כלל 300-600 W/m²·K ב-0.3 m/s לעומת 1500-2500 W/m²·K ב-2 m/s. קיר עבה יותר מגביר את ההתנגדות המוליכה בתרחיש הסעה גרוע. הגדלת עובי הדופן של צינור בקוטר חיצוני של 12 מ"מ ב- 50% PG, ב-90 מעלות, ועם מהירות זרימה של 0.3 מ"מ מ-1.2 מ"מ ל-2.0 מ"מ מעלה את טמפרטורת המעטפת מ-~125 מעלות ל-155 מעלות בצפיפות וואט של 7 W/cm2. העלייה בטמפרטורה של 30 מעלות גורמת לעלייה של פי 3 עד 5 בקצב הפירוק הכלוריד בעקבות התנהגות Arrhenius. הקיר העבה יותר, שאמור להציע קצבת קורוזיה, הופך את התקפת הבור כל כך למהירה שחיי השירות נטו עשויים להיות קצרים יותר מאשר עם קיר דק וקריר יותר. לולאת המשוב המביסה את -העצמית פירושה שבמערכות גליקול כלוריד- נמוכה-וגבוהות- יש טווח עובי אופטימלי שמעבר לו יותר מתכת מפחיתה את החיים במקום מאריכה אותם. נתוני שטח מאומתים עבור מחממי מחזור מבשלות ותעשיית המזון כאחד מראים שהאופטימלי הוא בין 1.4 ל-1.8 מ"מ עבור רוב מערכות PG 50% עם זיהום כלוריד.

המלצות עובי מאושרות עבור משטרי זרימה שונים

כאשר ניתן להבטיח שמהירות הזרימה תהיה תמיד גבוהה מ-1.0 מ"מ לשנייה, עובי של 1.5-1.7 מ"מ נותן שירות אמין למשך חמש שנים בנוכחות 2000 ppm כלורידים. עובי מתון שומר על טמפרטורת הנדן מתחת ל-120 מעלות בצפיפות וואט רגילה וזרימה סוערת מונעת ריכוז כלוריד על פני השטח. העובי המאומת המינימלי הופך ל-1.8-2.0 מ"מ עבור מערכות עם זרימה לסירוגין או שבהן הזרימה יכולה להיות פחות מ-0.5 מ"ש לשנייה בשלבי פעולה מסוימים. המתכת הנוספת הזו לא נועדת כל כך לקצבת קורוזיה אלא לסבול את הבור המהיר המתרחש במהלך אירועי זרימה נמוכה. עם זאת, עבור קיר של 2.0 מ"מ, צפיפות הוואט חייבת להיות מוגבלת ל-5-6 W/cm2 כדי לשמור על טמפרטורת המעטפת מתחת ל-135 מעלות בזרימה נמוכה. במקרה שלא ניתן להפחית את צפיפות הוואטים בגלל מגבלות שטח או קיבולת חימום, יש להגביל את העובי ל-1.5-1.6 מ"מ כדי למנוע האצה תרמית של קורוזיה, ובעל המערכת חייב להסכים לקיצור חיי שירות של שלוש עד ארבע שנים. בתנאים עומדים רתיחה מקומית היא בלתי נמנעת וטמפרטורת פני שטח גבוהה, תכולת כלוריד ופעולת בועות מכנית יעברו כל עובי מעשי תוך שנה עד שנתיים. בנסיבות כאלה יש לציין מעטפת טיטניום או מחמם Incoloy 825.

אימות באמצעות בדיקות קורוזיה ונתוני שטח

שלושת מקורות הראיות התומכים בהמלצות לעובי לעובי הם: עומקי שקעים של 0.2-0.3 מ"מ לשנה נראו בבדיקות ערבוב (זרימה גבוהה) ו-0.5-0.8 מ"מ לשנה בבדיקות לא ערבובות (זרימה נמוכה) במהלך בדיקות טבילה במעבדה של 316 קופוני נירוסטה ב- 50% pppm בדרגה Na 50% ppm. שנית, בדיקות שדה של מחממי מחזור שהוצאו משירות לאחר שלוש עד חמש שנים בלולאות גליקול של מפעלי מזון בהן דווחו רמות כלוריד ב-1500-2500 ppm, מראים כי ליחידות עם קירות של 1.5-1.6 מ"מ וזרימה סוערת יש עומקי בור מקסימליים של 0.4-0.7 מ"מ משאירים מספיק דופן. ליחידות עם קירות של 2.0-2.2 מ"מ וזרימה לקויה יש עומק בור של 0.8-1.2 מ"מ לא בגלל חומר פחות עמיד אלא בגלל שעובי הדופן המוגבר הגביר את טמפרטורת פני השטח וזירז את ההתקפה. שלישית, סריקות קיטוב אלקטרוכימי של נירוסטה 316 ב-PG מזוהם עם כלוריד ב-80-100 מעלות מראות שפוטנציאל הבור יורד בחדות מעל 100 מעלות, מה שמאשר ששמירה על טמפרטורת המעטפת מתחת לסף זה חשובה יותר מהוספת עובי.

מסקנה: טווח העובי המאומת לשירות אמין

נדרש טווח מאומת לקביעת עובי המעטפת עבור מחממי זרימה מנירוסטה 316 ב-50% פרופילן גליקול עם 2000 ppm כלורידים ב-90 מעלות בתנאי זרימה נמוכים, כדי לאזן את ההתנגדות לבור והאצה תרמית. עבור מערכות בעלות תכנון טוב, עם מהירויות זרימה של 1.0 מ"ש וצפיפות וואט של 6-8 W/cm2, עובי של 1.5-1.7 מ"מ נותן תוקף של חיי שירות של 5 שנים. עבור מערכות עם קצב זרימת פעולה רגילה מתחת ל-0.5 מ"ש לשנייה, יש להגדיל את העובי ל-1.8-2.0 מ"מ, אך רק אם צפיפות הוואט יורדת בו זמנית ל-5-6 W/cm². אף מערכת שבה יכול להתרחש סטגנציה של זרימה אינה מקובלת עבור נירוסטה 316, ללא קשר לעובי שלה. מהנדסים המציינים תנור חימום לסביבה קשה זו חייבים לציין לא רק את עובי הדופן, אלא גם את מהירות הזרימה הנמוכה ביותר המותרת, את צפיפות הוואט המקסימלית ואת שיטת האימות (בדיקת קופונים או ניטור אלקטרוכימי) שיש לבצע במהלך השירות. זה משנה דרישה ממדית בסיסית לטכניקת ניהול קורוזיה מאומתת המקשרת ישירות את עובי הדופן לעמידות בבור וביצועים תרמיים במערכות גליקול מזוהמות בכלוריד.