Sự đánh đổi cơ bản-của Glycol bị ức chế với ô nhiễm clorua
Propylene glycol (PG) là chất lỏng truyền nhiệt được ưa chuộng trong các ứng dụng chế biến thực phẩm, sản xuất dược phẩm và nhà máy bia nơi độc tính của ethylene glycol là không thể chấp nhận được. Dung dịch PG‑trong-nước 50 % cung cấp khả năng chống đóng băng tuyệt vời xuống khoảng -35 độ và hoạt động như một chất ức chế ăn mòn khi được pha chế đúng cách. Tuy nhiên, mạch PG công nghiệp thường xuyên bị nhiễm clorua từ nhiều nguồn: chất tẩy rửa còn sót lại, nước tháp giải nhiệt xâm nhập qua bộ trao đổi nhiệt hoặc đơn giản là sử dụng nước bổ sung không được làm mềm. Khi nồng độ clorua đạt đến 2000 ppm-mức thường thấy trong các hệ thống được bảo trì kém hoặc những hệ thống bị rò rỉ nước biển-khả năng bảo vệ chống ăn mòn do PG cung cấp sẽ bị hỏng. Ở nhiệt độ hoạt động 90 độ và với điều kiện dòng chảy thấp thúc đẩy sự ứ đọng của lớp biên, thép không gỉ 316 phải đối mặt với nguy cơ thực sự bị rỗ và ăn mòn kẽ hở. Độ dày vỏ bọc trong ứng dụng này không phải là phép tính cho phép ăn mòn đơn giản mà là một bài tập xác minh để xác nhận rằng bức tường được chọn có thể tồn tại trước sự tấn công kết hợp của clorua, nhiệt độ tăng cao và giảm truyền nhiệt do dòng chảy thấp.
Clorua-Cơ chế tạo vết rỗ trong dung dịch Propylene Glycol
Sự hiện diện của 2000 ppm clorua trong dung dịch propylene glycol 50% ở 90 độ tạo ra môi trường thách thức màng thụ động trên thép không gỉ 316. Bản thân propylene glycol có tác dụng ức chế nhẹ nhưng cơ chế ức chế của nó phụ thuộc vào sự hấp phụ của phân tử glycol lên bề mặt kim loại. Ở 90 độ, khuấy trộn nhiệt làm giảm hiệu quả của lớp hấp phụ này. Các ion clorua, nhỏ và có tính di động cao, cạnh tranh vị trí trên bề mặt và khi chúng xuyên thủng màng thụ động, chúng sẽ bắt đầu tạo vết rỗ tại các điểm yếu như tạp chất sunfua hoặc vết trầy xước bề mặt. Nhiệt độ rỗ tới hạn đối với thép không gỉ 316 trong dung dịch clorua 2000 ppm là khoảng 50‑60 độ chỉ trong nước. Trong propylen glycol 50%, nhiệt độ rỗ tới hạn tăng lên 10‑15 độ do tác dụng ức chế của glycol, đặt nó ở gần 65‑75 độ. Vì nhiệt độ vận hành là 90 độ nên hệ thống hoạt động trên nhiệt độ tới hạn của hố rỗ, nghĩa là việc bắt đầu rỗ không phải là câu hỏi "nếu" mà là "khi nào". Khi hố bắt đầu hoạt động, tốc độ lan truyền của nó tuân theo xu hướng logarit hoặc tuyến tính có thể dự đoán được tùy thuộc vào lượng oxy sẵn có và điện trở suất của dung dịch. Dữ liệu được công bố về thép không gỉ 316 trong glycol bị nhiễm clorua ở 90 độ cho thấy tốc độ phát triển của vết rỗ là 0,2‑0,6 mm mỗi năm trong điều kiện sục khí. Đối với máy sưởi dự kiến hoạt động 5000 giờ mỗi năm (xấp xỉ 60 % công suất), một hố phát triển với tốc độ 0,4 mm mỗi năm sẽ xuyên qua bức tường 1,5 mm trong 3,75 năm. Một bức tường 2,0 mm sẽ kéo dài thời gian đó lên 5 năm. Tuy nhiên, những tính toán này giả định một hố duy nhất; trên thực tế, nhiều hố bắt đầu và hố sâu nhất quyết định thất bại.
Điều kiện dòng chảy thấp và tác động khuếch đại của chúng đối với sự ăn mòn
Điều kiện dòng chảy thấp đặc biệt có hại trong ứng dụng này vì chúng cho phép lớp biên ở bề mặt vỏ bọc trở nên quá bão hòa với các sản phẩm ăn mòn và ion clorua. Ở vận tốc dòng chảy dưới 0,5 m/s, sự chuyển khối đối lưu của clorua ra khỏi bề mặt bị hạn chế nghiêm trọng. Nồng độ clorua ở bề mặt kim loại có thể tăng lên gấp năm hoặc mười lần giá trị khối, làm giảm đáng kể khả năng bị rỗ. Ngoài ra, dòng chảy thấp sẽ thúc đẩy quá trình sôi một phần hoặc sôi màng ở bề mặt vỏ bọc nếu dòng nhiệt cao. Khi bong bóng hình thành và xẹp xuống, chúng làm hỏng màng thụ động một cách cơ học và tạo ra dung dịch clorua đậm đặc cục bộ trong màng chất lỏng mỏng bên dưới bong bóng. Cơ chế này chịu trách nhiệm cho kiểu "vòng rỗ" đặc trưng được thấy xung quanh các vị trí tạo mầm bong bóng trên các lò sưởi bị hỏng. Đối với thiết bị gia nhiệt dòng chảy bằng thép không gỉ 316 hoạt động ở nhiệt độ khối 90 độ với mật độ watt vỏ là 7‑8 W/cm², nhiệt độ bề mặt ở lớp biên có thể đạt tới 110‑120 độ trong điều kiện dòng chảy thấp. Ở những nhiệt độ này, ngưỡng rỗ tới hạn đã vượt quá xa và tốc độ lan truyền của vết rỗ có thể đạt tới 1‑2 mm mỗi năm. Do đó, độ dày được xác minh phải tính đến không chỉ nồng độ clorua và nhiệt độ lớn mà còn tính đến hiệu ứng khuếch đại cục bộ do dòng chảy thấp gây ra. Độ dày có vẻ phù hợp dựa trên điều kiện khối lượng có thể bị hỏng trong vòng vài tháng khi dòng chảy giảm xuống dưới 0,3 m/s.
Tương tác nhiệt thủy lực hạn chế độ dày tối đa
Sự tương tác giữa độ dày thành, truyền nhiệt và dòng chảy thấp tạo ra một hạn chế bổ sung làm hạn chế độ dày vỏ bọc thực tế tối đa. Khi độ dày thành tăng, điện trở nhiệt tăng, buộc nhiệt độ bề mặt vỏ bọc cao hơn đối với cùng một nguồn điện đầu vào. Ở lưu lượng thấp, hệ số truyền nhiệt đối lưu đã giảm-thường là 300‑600 W/m²·K ở tốc độ 0,3 m/s so với 1500‑2500 W/m²·K ở tốc độ 2 m/s. Một bức tường dày hơn sẽ bổ sung thêm điện trở dẫn điện trên tình huống đối lưu vốn đã kém. Đối với ống có đường kính ngoài 12 mm ở 50% PG ở góc 90 độ với tốc độ dòng chảy là 0,3 m/s, việc tăng độ dày thành từ 1,2 mm lên 2,0 mm sẽ làm tăng nhiệt độ vỏ bọc từ khoảng 125 độ lên 155 độ ở mật độ watt là 7 W/cm2. Mức tăng 30 độ này làm tăng tỷ lệ rỗ clorua lên gấp ba đến năm lần, theo hành vi của Arrhenius. Bức tường dày hơn nhằm mục đích cung cấp khả năng chống ăn mòn thực sự làm tăng tốc độ tấn công rỗ đến mức tuổi thọ thực của dịch vụ có thể ngắn hơn so với bức tường mỏng hơn, mát hơn. Vòng phản hồi tự đánh bại này có nghĩa là đối với các hệ thống glycol có hàm lượng clorua cao, dòng chảy thấp, sẽ tồn tại một phạm vi độ dày tối ưu mà vượt quá giới hạn đó thì kim loại bổ sung sẽ làm giảm thay vì kéo dài tuổi thọ. Dữ liệu hiện trường đã được xác minh từ máy sưởi tuần hoàn của nhà máy bia và nhà máy thực phẩm chỉ ra rằng mức tối ưu này nằm trong khoảng từ 1,4 đến 1,8 mm đối với hầu hết các hệ thống PG 50 % bị nhiễm clorua.
Khuyến nghị về độ dày đã được xác minh cho các chế độ dòng chảy khác nhau
Đối với các hệ thống mà tốc độ dòng chảy luôn được đảm bảo trên 1,0 m/s, độ dày 1,5‑1,7 mm mang lại khả năng hoạt động đáng tin cậy trong 5 năm khi có nồng độ clorua 2000 ppm. Độ dày vừa phải giữ nhiệt độ vỏ bọc dưới 120 độ ở mật độ watt điển hình và dòng chảy hỗn loạn ngăn chặn nồng độ clorua trên bề mặt. Đối với các hệ thống có dòng chảy không liên tục hoặc có thể giảm xuống dưới 0,5 m/s trong các giai đoạn vận hành nhất định, độ dày tối thiểu đã xác minh sẽ tăng lên 1,8‑2,0 mm. Kim loại bổ sung này chủ yếu không phải để chống ăn mòn mà để chống lại hiện tượng rỗ tăng tốc xảy ra trong các giai đoạn dòng chảy kiệt. Tuy nhiên, bức tường 2,0 mm chỉ khả thi nếu mật độ watt giảm xuống 5‑6 W/cm² để giữ nhiệt độ vỏ bọc dưới 135 độ khi lưu lượng thấp. Nếu không thể giảm mật độ watt do hạn chế về không gian hoặc công suất sưởi, thì độ dày phải được giới hạn ở 1,5‑1,6 mm để tránh gia tốc ăn mòn do nhiệt và chủ sở hữu hệ thống phải chấp nhận tuổi thọ sử dụng ngắn hơn từ ba đến bốn năm. Đối với các hệ thống mà dòng chảy có thể bị đình trệ hoàn toàn (tốc độ bằng 0) trong chu kỳ gia nhiệt, không nên sử dụng thép không gỉ 316 bất kể độ dày. Trong điều kiện trì trệ, sự sôi cục bộ là không thể tránh khỏi và sự kết hợp của nhiệt độ bề mặt cao, nồng độ clorua và hoạt động của bong bóng cơ học sẽ xuyên qua bất kỳ độ dày thực tế nào trong vòng một đến hai năm. Trong những trường hợp như vậy, phải chỉ định vỏ bọc titan hoặc lò sưởi Incoloy 825.
Xác minh thông qua thử nghiệm ăn mòn và dữ liệu hiện trường
Các khuyến nghị về độ dày được trình bày ở trên được xác minh bằng ba nguồn bằng chứng. Đầu tiên, các thử nghiệm ngâm trong phòng thí nghiệm đối với 316 phiếu giảm giá bằng thép không gỉ trong PG 50 % với NaCl 2000 ppm ở 90 độ, được tiến hành trong điều kiện khuấy (dòng chảy cao) và không khuấy trộn (dòng chảy thấp), cho thấy độ sâu rỗ là 0,2‑0,3 mm mỗi năm trong các thử nghiệm khuấy và 0,5‑0,8 mm mỗi năm trong các thử nghiệm không khuấy. Thứ hai, việc kiểm tra hiện trường các máy sưởi tuần hoàn đã ngừng hoạt động sau ba đến năm năm trong vòng glycol của nhà máy thực phẩm có nồng độ clorua được ghi nhận là 1500-2500 ppm cho thấy rằng các thiết bị có thành 1,5-1,6 mm và dòng chảy rối có độ sâu hố tối đa là 0,4-0,7 mm, để lại đủ tường dư. Các thiết bị có thành 2,0‑2,2 mm nhưng dòng chảy kém có độ sâu hố 0,8‑1,2 mm-không phải vì vật liệu có khả năng chịu lực kém hơn mà vì thành dày hơn làm tăng nhiệt độ bề mặt và tăng tốc độ tấn công. Thứ ba, quét phân cực điện hóa thép không gỉ 316 trong PG nhiễm clorua ở nhiệt độ từ 80‑100 độ cho thấy khả năng tạo vết rỗ giảm mạnh trên 100 độ, xác nhận rằng việc giữ nhiệt độ vỏ bọc dưới ngưỡng này quan trọng hơn việc tăng thêm độ dày.
Kết luận: Phạm vi độ dày đã được xác minh cho dịch vụ đáng tin cậy
Việc chọn độ dày vỏ bọc cho thiết bị gia nhiệt dòng chảy bằng thép không gỉ 316 trong 50 % propylene glycol với 2000 ppm clorua ở 90 độ trong điều kiện dòng chảy thấp đòi hỏi phạm vi được xác minh để cân bằng khả năng chống rỗ và gia tốc nhiệt. Đối với các hệ thống được thiết kế tốt với vận tốc dòng chảy trên 1,0 m/s và mật độ watt là 6‑8 W/cm², độ dày 1,5‑1,7 mm mang lại tuổi thọ sử dụng 5 năm đã được xác nhận. Đối với các hệ thống có lưu lượng giảm xuống dưới 0,5 m/s trong quá trình vận hành bình thường, nên tăng độ dày lên 1,8‑2,0 mm nhưng chỉ khi mật độ watt đồng thời giảm xuống 5‑6 W/cm². Đối với bất kỳ hệ thống nào có thể bị ứ đọng dòng chảy, thép không gỉ 316 không phù hợp bất kể độ dày. Khi chỉ định lò sưởi cho môi trường đầy thách thức này, các kỹ sư không chỉ phải nêu rõ độ dày thành mà còn cả tốc độ dòng chảy tối thiểu có thể chấp nhận được, mật độ watt tối đa và phương pháp xác minh (kiểm tra phiếu giảm giá hoặc giám sát điện hóa) sẽ được sử dụng trong quá trình bảo trì. Điều này biến yêu cầu về kích thước đơn giản thành một chiến lược quản lý ăn mòn đã được xác minh, liên kết trực tiếp độ dày thành với cả khả năng chống rỗ và hiệu suất nhiệt trong hệ thống glycol bị nhiễm clorua.
