Põhiline vahetus{0}}inhibeeritud glükooli ja kloriidi saastumise osas
Propüleenglükool (PG) on eelistatud soojusülekandevedelik toiduainete töötlemisel, farmaatsiatööstuses ja õlletehastes, kus etüleenglükooli toksilisus on vastuvõetamatu. 50% PG-in-water lahus tagab suurepärase külmumiskaitse kuni ligikaudu -35 kraadini ja toimib korrektse koostise korral korrosiooniinhibiitorina. Tööstuslikud PG-ahelad saastuvad aga sageli mitmest allikast pärit kloriididega: puhastusvahendite jäägid, jahutustorni vee sisenemine läbi soojusvaheti või lihtsalt pehmendamata meigivee kasutamine. Kui kloriidi kontsentratsioon jõuab 2000 ppm-ni, mida tavaliselt täheldatakse halvasti hooldatud või merevee lekkega süsteemides, siis PG pakutav korrosioonikaitse laguneb. 90-kraadise töötemperatuuri ja madala voolu tingimustes, mis soodustavad piirkihi stagnatsiooni, on roostevaba teras 316 reaalne punkt- ja pragukorrosiooni oht. Selle rakenduse puhul ei ole ümbrise paksus lihtne korrosioonivaru arvutamine, vaid kontrollimine, mis kinnitab, et valitud sein suudab taluda kloriidide, kõrgendatud temperatuuri ja madalast vooluhulgast tingitud vähenenud soojusülekande kombineeritud rünnakut.
Kloriidist{0}}indutseeritud aukude eemaldamise mehhanism propüleenglükooli lahustes
2000 ppm kloriidide olemasolu 50% propüleenglükooli lahuses 90 kraadi juures loob keskkonna, mis seab väljakutse roostevaba terase 316 passiivsele kilele. Propüleenglükool ise on nõrgalt inhibeeriv, kuid selle inhibeerimismehhanism põhineb glükooli molekuli adsorptsioonil metalli pinnale. 90 kraadi juures vähendab termiline segamine selle adsorbeeritud kihi efektiivsust. Kloriidiioonid, mis on väikesed ja väga liikuvad, konkureerivad pinnapealsete kohtade pärast ja kui nad passiivset kilet rikuvad, algatavad nõrkades kohtades, nagu sulfiidide sissekanded või pinnakriimustused, süvendite tekkimist. Roostevaba terase 316 kriitiline punktide eraldumise temperatuur 2000 ppm kloriidilahuses on ainult vees ligikaudu 50–60 kraadi. 50% propüleenglükooli puhul tõuseb kriitiline täppide temperatuur glükooli inhibeeriva toime tõttu 10–15 kraadi võrra, asetades selle 65–75 kraadi lähedale. Kuna töötemperatuur on 90 kraadi, töötab süsteem kõrgemal kui kriitilise punktide tekketemperatuur, mis tähendab, et kaevu käivitamine ei ole küsimus "kas", vaid "millal". Kui süvend algab, järgib selle levimiskiirus prognoositavat logaritmilist või lineaarset suundumust sõltuvalt hapniku kättesaadavusest ja lahuse takistusest. Avaldatud andmed 316 roostevaba terase kohta 90-kraadises kloriidiga saastunud glükoolis näitavad kaevude kasvutempot aereeritud tingimustes 0,2–0,6 mm aastas. Eeldatavalt 5000 tundi aastas töötava küttekeha puhul (ligikaudu 60% töökoormust) läbib 0,4 mm aastas kasvav süvend 3,75 aastaga 1,5 mm seina. 2,0 mm sein pikendaks seda 5 aastani. Need arvutused eeldavad aga ühte auku; tegelikkuses saab alguse mitu auku ja kõige sügavam määrab ebaõnnestumise.
Madala vooluga tingimused ja nende võimendav mõju korrosioonile
Madala voolu tingimused on selle rakenduse puhul eriti kahjulikud, kuna need võimaldavad ümbrise pinna piirkihil korrosiooniproduktide ja kloriidioonidega üleküllastuda. Voolukiirustel alla 0,5 m/s on kloriidide konvektiivne massiülekanne pinnalt tugevalt piiratud. Kloriidi kontsentratsioon metalli pinnal võib tõusta viie või kümne korrani mahuväärtusest, vähendades järsult punktide tekke potentsiaali. Lisaks soodustab madal vooluhulk osalist keemist või kile keemist ümbrise pinnal, kui soojusvoog on suur. Kui mullid tekivad ja kokku varisevad, kahjustavad need mehaaniliselt passiivset kilet ja tekitavad mulli all olevas õhukeses vedelikukiles lokaalselt kontsentreeritud kloriidilahuseid. See mehhanism on vastutav iseloomuliku rõngakujulise mustri eest, mida on näha ebaõnnestunud küttekehade mullide moodustumise kohtades. 316 roostevabast terasest voolusoojendi puhul, mis töötab 90 kraadisel puistetemperatuuril ja ümbrise vattihedusega 7–8 W/cm², võib piirkihi pinnatemperatuur madala vooluhulga tingimustes ulatuda 110–120 kraadini. Nendel temperatuuridel on kriitiline aukude tekkelävi tunduvalt ületatud ja kaevu levimise kiirus võib ulatuda 1–2 mm-ni aastas. Kontrollitud paksus peab seetõttu arvestama mitte ainult kloriidi kontsentratsiooni ja temperatuuri, vaid ka väikese voolu põhjustatud lokaalset võimendusefekti. Paksus, mis näib mahutingimuste põhjal piisav, võib mõne kuu jooksul ebaõnnestuda, kui vooluhulk langeb alla 0,3 m/s.
Termohüdraulilised vastasmõjud, mis piiravad maksimaalset paksust
Seina paksuse, soojusülekande ja väikese voolu vaheline koostoime loob täiendava piirangu, mis piirab ümbrise maksimaalset praktilist paksust. Seina paksuse kasvades tõuseb soojustakistus, mis sunnib ümbrise pinna temperatuuri sama elektrienergia sisendi korral kõrgemaks. Madala voolu korral väheneb konvektiivsoojusülekandetegur juba -tavaliselt 300–600 W/m²·K kiirusel 0,3 m/s võrreldes 1500–2500 W/m²·K kiirusel 2 m/s. Paksem sein lisab juhtivat takistust niigi kehva konvektiivolukorra peale. 12 mm välisläbimõõduga toru puhul 50% PG-s 90 kraadi juures voolukiirusega 0,3 m/s, seina paksuse suurendamine 1,2 mm-lt 2,0 mm-ni tõstab kesta temperatuuri ligikaudu 125 kraadilt 155 kraadini vattiheduse 7 W/cm² juures. See 30-kraadine tõus tõstab Arrheniuse käitumise kohaselt kloriidi punktide tekke määra kolm kuni viis korda. Paksem sein, mis on ette nähtud korrosioonivarude tagamiseks, kiirendab tegelikult aukude tekkimist nii palju, et neto kasutusiga võib olla lühem kui õhema ja jahedama seina puhul. See isekahjuv tagasisideahel tähendab, et madala vooluhulga ja kõrge kloriidisisaldusega glükoolisüsteemide jaoks on olemas optimaalne paksusvahemik, millest kaugemale lisatav metall eluiga pigem vähendab kui pikendab. Õlletehaste ja toidutehaste tsirkulatsioonisoojendite kontrollitud väliandmed näitavad, et see optimum jääb vahemikku 1,4–1,8 mm enamiku 50% kloriidisisaldusega PG-süsteemide puhul.
Kontrollitud paksusesoovitused erinevate voolurežiimide jaoks
Süsteemide puhul, kus voolukiirus on alati garanteeritud üle 1,0 m/s, tagab 1,5–1,7 mm paksus 2000 ppm kloriidide juuresolekul usaldusväärse teeninduse viis aastat. Mõõdukas paksus hoiab ümbrise temperatuuri tüüpiliste vattiheduste korral alla 120 kraadi ja turbulentne vool takistab kloriidi kontsentratsiooni pinnal. Süsteemide puhul, kus vool on katkendlik või võib teatud tööfaasides langeda alla 0,5 m/s, suureneb kontrollitud minimaalne paksus 1,8–2,0 mm-ni. See lisametall ei ole mõeldud peamiselt korrosiooni vähendamiseks, vaid selleks, et taluda kiirendatud täppide tekkimist, mis ilmneb väikese vooluga episoodide ajal. 2,0 mm sein on aga elujõuline ainult siis, kui vattihedust vähendatakse 5–6 W/cm²-ni, et hoida ümbrise temperatuur madala voolu korral alla 135 kraadi. Kui vattihedust ei saa ruumi- või küttevõimsuse piirangute tõttu vähendada, tuleb korrosiooni termilise kiirenduse vältimiseks piirata paksust 1,5–1,6 mm-ni ning süsteemi omanik peab leppima lühema kasutuseaga kolme kuni nelja aasta võrra. Süsteemide puhul, kus vool võib küttetsüklite ajal täielikult seiskuda (nullkiirus), ei ole 316 roostevaba teras soovitatav olenemata paksusest. Seiskunud tingimustes on lokaalne keetmine vältimatu ning kõrge pinnatemperatuuri, kloriidikontsentratsiooni ja mehaanilise mullide toime kombinatsioon lööb ühe kuni kahe aasta jooksul läbi mis tahes praktilise paksuse. Sellistel juhtudel tuleks täpsustada titaankest või Incoloy 825 küttekeha.
Kontrollimine korrosioonikatsetuste ja väliandmete abil
Ülaltoodud paksusesoovitused on kinnitatud kolme tõendusallikaga. Esiteks, 316 roostevabast terasest kupongi 50% PG-s ja 2000 ppm NaCl-ga 90 kraadi juures läbi viidud segamistingimustes (suure vooluga) ja segamata (madal vooluga) tingimustes näitasid 316 roostevabast terasest kupongid 50% PG-s ja 0,8 mm-s5 aastas läbiviidud segamiskatsetes augusügavusteks 0,2–0,3 mm aastas. Teiseks, pärast kolme kuni viit aastat kasutusest eemaldatud tsirkulatsioonisoojendite välikontrollid toidutaimede glükoolikontuurides, mille kloriidisisaldus on dokumenteeritud 1500–2500 ppm, näitas, et 1,5–1,6 mm seinte ja turbulentse vooluga seadmetel on süvendite maksimaalne sügavus 0,4–0,7 mm, jättes piisava jääkseina. 2,0–2,2 mm seintega, kuid halva vooluga seadmetel on süvendite sügavus 0,8–1,2 mm{21}}mitte sellepärast, et materjal oleks vähem vastupidav, vaid seetõttu, et paksem sein tõstis pinnatemperatuuri ja kiirendas rünnakut. Kolmandaks näitavad 316 roostevaba terase elektrokeemilised polarisatsiooniskaneeringud kloriidiga saastunud PG-s temperatuuril 80–100 kraadi, et täppide tekitamise potentsiaal langeb järsult üle 100 kraadi, kinnitades, et ümbrise temperatuuri hoidmine sellest lävest madalamal on olulisem kui paksuse lisamine.
Järeldus: Kinnitatud paksusvahemik usaldusväärse teeninduse tagamiseks
316 roostevabast terasest voolusoojendi ümbrise paksuse valimine 50% propüleenglükoolis ja 2000 ppm kloriide 90 kraadi juures madala voolu tingimustes nõuab kontrollitud vahemikku, mis tasakaalustab täppide takistust termilise kiirenduse vastu. Hästi läbimõeldud süsteemide puhul, mille voolukiirus on üle 1,0 m/s ja vattihedus 6–8 W/cm², tagab 1,5–1,7 mm paksus kontrollitud viieaastase kasutusea. Süsteemide puhul, kus vooluhulk langeb normaalse töö käigus alla 0,5 m/s, tuleks paksust suurendada 1,8-2,0 mm-ni, kuid ainult siis, kui vattihedust vähendatakse samaaegselt 5-6 W/cm²-ni. Kõigile süsteemidele, kus on võimalik voolu stagnatsioon, ei sobi 316 roostevaba teras olenemata paksusest. Selle keerulise keskkonna jaoks kütteseadme määramisel peavad insenerid märkima mitte ainult seina paksuse, vaid ka minimaalse vastuvõetava voolukiiruse, maksimaalse vattiheduse ja kontrollimeetodi (kupongi testimine või elektrokeemiline seire), mida hoolduse ajal kasutatakse. See muudab lihtsa mõõtmete nõude kontrollitud korrosioonitõrjestrateegiaks, mis seob seina paksuse otseselt nii stantsikindluse kui ka termilise jõudlusega kloriidiga saastunud glükoolisüsteemides.
