Quin és el gruix verificat de la funda per a escalfadors de flux d'acer inoxidable 316 en propilenglicol al 50% amb clorurs de 2000 ppm a 90 graus i condicions de baix cabal

La compensació bàsica-de la inhibició del glicol amb la contaminació per clorur

El propilenglicol (PG) és el fluid de transferència de calor escollit en aplicacions de processament d'aliments, fabricació farmacèutica i cervesa on la toxicitat de l'etilenglicol és inacceptable. Una solució al 50% de PG en aigua ofereix una bona protecció contra la congelació a uns -35 C i també funciona com a inhibidor de la corrosió quan es prepara correctament. No obstant això, en els circuits industrials de PG, els clorurs tendeixen a introduir-se al circuit des d'una sèrie de fonts, com ara agents de neteja residuals, infiltració d'aigua de la torre de refrigeració a través d'intercanviadors de calor o ús d'aigua normal (no suavitzada). El PG perd la seva protecció contra la corrosió a nivells de clorur de 2000 ppm, que és un nivell que s'observa normalment en sistemes amb mal manteniment o amb fuites d'aigua de mar. A una temperatura de funcionament de 90 graus i circumstàncies de baix cabal que afavoreixen l'estancament de la capa límit, l'acer inoxidable 316 té un risc considerable de corrosió de picades i esquerdes. En aquesta aplicació, el gruix de la funda no és un simple càlcul de la tolerancia de corrosió, sinó un exercici de verificació per demostrar que la paret seleccionada pot suportar l'atac combinat de clorurs, temperatura elevada i transferència de calor reduïda a causa del baix cabal.

Mecanisme de picat induït pel clorur en solucions de propilenglicol

Les 2000 ppm de clorurs en una solució de propilenglicol al 50% a 90 graus són un entorn agressiu per a la pel·lícula passiva en acer inoxidable 316. El propilenglicol és feblement inhibidor, però el seu mecanisme d'inhibició depèn de l'adsorció de la molècula de glicol a la superfície metàl·lica. A 90 graus, la capa adsorbida és menys eficient a causa del moviment tèrmic. Els ions de clorur són molt mòbils i petits i competeixen per les ubicacions de la superfície i provoquen picades en punts febles, com ara inclusions de sulfur o rascades a la superfície després de trencar el recobriment passiu. La temperatura crítica de perforació de l'acer inoxidable 316 en una solució de clorur de 2000 ppm és d'uns 50-60 graus només en aigua. La presència de l'inhibidor de glicol augmenta la temperatura crítica de picadura del propilenglicol al 50% entre 10 i 15 graus a uns 65-75 graus. La temperatura de funcionament és de 90 graus i, per tant, el sistema funciona per sobre de la temperatura crítica de perforació, de manera que la qüestió de l'inici de la fossa no és "si" sinó "quan". Un cop formada una fossa, la velocitat del seu creixement es pot predir mitjançant una tendència logarítmica o lineal depenent de la disponibilitat d'oxigen i de la resistivitat de la solució. Els resultats publicats per a acer inoxidable 316 en glicol contaminat amb clorur a 90 graus revelen taxes de creixement del pou de 0,2 a 0,6 mm/any per a condicions airejades. Una rasa que s'expandís a una velocitat de 0,4 mm/any perforaria una paret d'1,5 mm en 3,75 anys per a un escalfador amb un temps de funcionament previst de 5.000 hores anuals (al voltant del 60 % de servei). Un mur de 2,0 mm s'allargaria fins a 5 anys. Tanmateix, aquests càlculs es basen en una única fossa, quan de fet s'inicien una sèrie de fosses i la fallada és controlada per la més profunda.

Efectes de les condicions de baix cabal sobre la corrosió i la seva amplificació

Per a aquesta aplicació, les condicions de baix flux són especialment perjudicials, ja que permeten que la capa límit a la superfície de la funda es sobresature amb productes de corrosió i ions de clorur. La convecció dels clorurs lluny de la superfície està fortament limitada per a velocitats de flux inferiors a 0,5 m/s. El contingut de clorur a la superfície metàl·lica pot ser cinc o deu vegades superior al de la massa i redueix molt el potencial de picat. El baix cabal també afavoreix l'ebullició parcial o l'ebullició de la pel·lícula a la superfície de la funda quan el flux de calor és fort. La formació i el col·lapse de les bombolles degraden mecànicament la capa passiva i creen solucions de clorur concentrades localment a la pel·lícula líquida fina sota la bombolla. Aquest mecanisme condueix al patró característic d'"anell de fosa" que s'observa al voltant dels llocs de nucleació de bombolles als escalfadors fallits. Per exemple, per a un escalfador de flux d'acer inoxidable 316 utilitzat a una temperatura a granel de 90 graus i una densitat de watts de la funda de 7-8 W/cm2, la temperatura superficial de la capa límit pot ser superior a 110-120 graus fins i tot en condicions de baix cabal. A aquestes temperatures, el llindar crític de perforació es sobrepassa molt i la velocitat de propagació de la fossa pot ser d'1-2 mm/any. Per tant, el gruix verificat ha de tenir en compte no només la concentració i la temperatura de clorur a granel, sinó també l'impacte d'amplificació localitzada del flux baix. Un gruix que sembla suficient en configuracions a granel podria trencar-se en uns mesos quan el cabal és inferior a 0,3 m/s.

Interaccions tèrmiques hidràuliques que limiten el gruix màxim

La interacció del gruix de la paret, la transmissió de calor i el baix cabal imposa un límit addicional al gruix màxim de la coberta practicable. Amb l'augment del gruix de la paret, la resistència tèrmica augmenta, la qual cosa augmenta la temperatura de la superfície de la coberta per a la mateixa potència elèctrica d'entrada. A baix cabal, el coeficient de transferència de calor convectiva ja es redueix-normalment 300–600 W/m²·K a 0,3 m/s en comparació amb 1500–2500 W/m²·K a 2 m/s. Una paret més gruixuda augmenta la resistència conductora en un mal escenari convectiu. Augmentar el gruix de la paret d'un tub de 12 mm de diàmetre exterior en un 50% de PG, a 90 graus i amb una velocitat de flux de 0,3 m/s d'1,2 mm a 2,0 mm augmenta la temperatura de la funda d'∼125 graus a 155 graus amb una densitat de watts de 7 W/cm2. L'augment de la temperatura de 30 graus provoca un augment de 3 a 5 vegades de la taxa de picades de clorur després del comportament d'Arrhenius. La paret més gruixuda, que se suposa que ofereix una resistència a la corrosió, fa que l'atac de picada sigui tan ràpid que la vida útil neta pot ser menor que amb una paret més prima i més fresca. Aquest bucle de retroalimentació d'auto{26}}derrotació significa que en sistemes de baix-flux i alt-clorur glicol hi ha un rang òptim de gruix més enllà del qual més metall disminueix la vida en lloc de perllongar-la. Les dades de camp verificades per als escalfadors de circulació de cerveseria i de la indústria alimentària mostren que l'òptim és entre 1,4 i 1,8 mm per a la majoria dels sistemes de PG al 50% amb contaminació per clorur.

Recomanacions de gruix confirmades per a diferents règims de flux

Quan es pot assegurar que la velocitat del flux és sempre superior a 1,0 m/s, un gruix d'1,5-1,7 mm ofereix un servei fiable durant cinc anys en presència de 2000 ppm de clorurs. El gruix moderat manté la temperatura de la funda per sota dels 120 graus a densitats de watts normals i el flux turbulent evita la concentració de clorur a la superfície. El gruix mínim verificat és d'1,8-2,0 mm per a sistemes amb flux intermitent o on el cabal pot arribar a ser inferior a 0,5 m/s en algunes fases operatives. Aquest metall addicional no és tant per a la corrosió com per suportar la ràpida picada que es produeix durant els esdeveniments de baix cabal. Tanmateix, per a una paret de 2,0 mm, la densitat de watts s'ha de limitar a 5-6 W/cm2 per mantenir la temperatura de la funda per sota dels 135 graus a baix cabal. En cas que no sigui possible reduir la densitat de watts a causa de limitacions d'espai o capacitat de calefacció, el gruix s'ha de limitar a 1,5-1,6 mm per evitar l'acceleració tèrmica de la corrosió, i el propietari del sistema ha d'acceptar una vida útil escurçada de tres a quatre anys. 316 no es recomana l'acer inoxidable per a sistemes on el flux pot estar totalment estancat, independentment de la velocitat del cicle d'escalfament. En condicions d'estancament, l'ebullició localitzada és inevitable i l'alta temperatura superficial, el contingut de clorur i l'acció de la bombolla mecànica passaran per qualsevol gruix pràctic en un o dos anys. En aquestes circumstàncies s'ha d'especificar una funda de titani o un escalfador Incoloy 825.

Verificació mitjançant proves de corrosió i dades de camp

Les tres fonts d'evidència que donen suport a les recomanacions anteriors per al gruix són: Es van observar profunditats de picadura de 0,2-0,3 mm/any en proves agitades (flux alt) i 0,5-0,8 mm/any en proves sense agitació (flux baix) durant les proves d'immersió de laboratori de 316 cupons d'acer inoxidable en 50 % de Na20 °C i ppm. En segon lloc, les inspeccions de camp dels escalfadors de circulació fora de servei després de tres a cinc anys en bucles de glicol de plantes alimentàries on s'han informat nivells de clorur a 1500-2500 ppm mostren que les unitats amb parets d'1,5-1,6 mm i flux turbulent tenen profunditats màximes de fossat de 0,4-0,7 mm deixant una paret residual suficient. Les unitats amb parets de 2,0-2,2 mm i un flux pobre tenen profunditats de fossat de 0,8-1,2 mm no perquè a un material menys resistent sinó perquè l'augment del gruix de la paret va millorar la temperatura superficial i va accelerar l'atac. En tercer lloc, les exploracions de polarització electroquímica d'acer inoxidable 316 en PG contaminat amb clorur a 80-100 graus mostren que el potencial de picat cau fortament per sobre dels 100 graus, confirmant que mantenir la temperatura de la funda per sota d'aquest llindar és més important que afegir gruix.

Conclusió: el rang verificat de gruix per a un servei fiable

Es requereix un rang validat per a la determinació del gruix de la funda per a escalfadors de flux d'acer inoxidable 316 en propilenglicol al 50% amb 2000 ppm de clorurs a 90 graus en condicions de flux baix per equilibrar la resistència a la picada i l'acceleració tèrmica. Per a sistemes de bon disseny, amb velocitats de flux d'1,0 m/s i densitats de watts de 6-8 W/cm2, un gruix d'1,5-1,7 mm ofereix una vida útil validada de 5 anys. Per als sistemes amb un cabal de funcionament normal inferior a 0,5 m/s, el gruix s'ha d'augmentar a 1,8-2,0 mm, però només si la densitat de watts es redueix simultàniament a 5-6 W/cm². Cap sistema on es pugui produir estancament del flux és acceptable per a l'acer inoxidable 316, independentment del seu gruix. Els enginyers que especifiquen un escalfador per a aquest entorn difícil han d'especificar no només el gruix de la paret, sinó també la velocitat de flux més baixa permesa, la densitat màxima de watts i el mètode de verificació (prova de cupó o monitorització electroquímica) a seguir durant el servei. Això canvia un requisit dimensional bàsic a una tècnica validada de gestió de la corrosió que relaciona directament el gruix de la paret amb la resistència a la picada i el rendiment tèrmic en sistemes de glicols contaminats amb clorur.