Koks yra 1,2 mm ir 2,0 mm apvalkalo storio inžinerinis pagrindimas 316 nerūdijančio plieno katilų panardinamųjų vandens šildytuvų esant 150 laipsnių ir 6 barų

Pagrindinis{0}}pardavimas aukštos-temperatūros suslėgto vandens paslaugai

Katiliniai vandens panardinamieji šildytuvai veikia vienoje iš reikliausių aplinkų bet kokiai metalinio apvalkalo medžiagai. Esant 150 laipsnių ir 6 barų slėgiui, vanduo yra skystas, bet artimas jo prisotinimo kreivei, o tai reiškia, kad bet koks lokalizuotas temperatūros pokytis apvalkalo paviršiuje gali sukelti branduolių virimą ar net plėvelės virimą. Tokiomis sąlygomis 316 nerūdijantis plienas išlaiko tinkamą bendrą atsparumą korozijai, jei vandens chemija yra tinkamai kontroliuojama, tačiau du gedimo mechanizmai tampa labai svarbūs: įtempių korozijos įtrūkimai dėl koncentruotų hidroksidų ir duobės dėl bet kokio chlorido patekimo. Pasirinkimas tarp 1,2 mm ir 2,0 mm apvalkalo storio nėra savavališkas. Kiekviena vertė atspindi skirtingą inžinerijos filosofiją su skirtingais pagrindimais, pagrįstais slėgio apribojimu, atsparumu korozijai, terminiu atsaku ir virimo režimo valdymu. Ši analizė pateikia inžinerinį kiekvieno storio varianto pagrindimą ir nustato sąlygas, kuriomis vienas iš jų aiškiai pranoksta kitą.

Slėgio sulaikymas ties 6 Bar ir 150 laipsnių

Esant 6 barų darbiniam slėgiui (manometras), lanko įtempis 316 nerūdijančio plieno apvalkale apskaičiuojamas pagal plonasienio cilindro formulę. 12 mm išorinio skersmens vamzdžio, kurio sienelės storis 1,2 mm, vidinis spindulys yra 4,8 mm. Lanko įtempis lygus slėgiui, padaugintam iš vidinio spindulio, padalyto iš sienelės storio: 0,6 MPa padauginus iš 4,8 mm, padalijus iš 1,2 mm, gaunama 2,4 MPa. 2,0 mm sienelės vidinis spindulys yra 4,0 mm, o lanko įtempis yra 0,6 MPa, padaugintas iš 4,0 mm, padalytas iš 2,0 mm ir gaunamas 1,2 MPa. Abi vertės yra mažesnės už 316 nerūdijančio plieno takumo ribą 150 laipsnių kampu, o tai yra maždaug 170 MPa. Vien tik slėgio sulaikymas nepateisina storesnės sienos. Net 1,2 mm sienelės saugos koeficientas yra 70, kad būtų išvengta derliaus praradimo. Mažiausias sienelės storis, reikalingas vien tik slėgio vientisumui esant 6 barams, yra mažesnis nei 0,3 mm. Todėl bet kurio storio inžinerinis pagrindimas turi būti susijęs su kitais veiksniais, o ne dėl plyšimo slėgio.

Korozijos pašalpos pagrindimas katilų vandens chemijoje

Katilo vanduo paprastai apdorojamas siekiant palaikyti šarmines sąlygas (pH 9-11) ir pašalinti ištirpusį deguonį, chloridus ir kitas agresyvias medžiagas. Esant idealiai vandens chemijai, vienodas 316 nerūdijančio plieno korozijos greitis 150 laipsnių kampu yra labai mažas – 0,005–0,015 mm per metus. Vien 1,2 mm siena teoriškai tarnautų nuo 80 iki 240 metų vien vienodai atakuojant. Tačiau tikrosios katilų sistemos patiria problemų: dėl kondensatoriaus nuotėkio patenka chloridai, netinkamas cheminis apdorojimas sukelia šarminę koncentraciją arba priežiūros metu patenka deguonies. Esant nepalankioms sąlygoms, lokalizuotas korozijos greitis gali siekti 0,1-0,3 mm per metus. 1,2 mm sienelė užtikrina maždaug 0,6–0,7 mm korozijos atsparumą, kol pasiekiamas minimalus 0,5 mm konstrukcijos storis. Jei korozijos greitis būtų 0,2 mm per metus, ši pašalpa būtų sunaudota per trejus ar ketverius metus. 2,0 mm sienelė užtikrina 1,3–1,4 mm korozijos atsparumą, o tai pailgina išgyvenimo laikotarpį iki 6–8 metų. Todėl 2,0 mm sienelės inžinerinis pagrindimas katilo vandens tarnyboje yra skirtas ne normaliam veikimui, o atsparumui vandens chemijos sutrikimams. Įrenginiai su puikiu vandens valymo stebėjimu ir kontrole gali pateisinti plonesnę sieną. Įrenginiai, kuriuose yra kintama tiekiamo vandens kokybė, dažni kondensatoriaus nutekėjimai arba ribotas cheminio apdorojimo personalas, turėtų pateisinti storesnę sieną kaip draudimo nuo nusiminimų polisą.

Virimo režimo valdymas ir esminis storių skirtumas

Ryškiausias inžinerinis pagrindimas, skiriantis 1,2 mm nuo 2,0 mm, yra tai, kaip kiekvienas storis sąveikauja su virimo režimu apvalkalo paviršiuje. 150 laipsnių slėgio vandenyje prisotinimo temperatūra yra maždaug 150 laipsnių esant 6 barams. Šildytuvo apvalkalas turi veikti virš tūrinės temperatūros, kad perduotų šilumą, o tai reiškia, kad paviršiaus temperatūra paprastai siekia 160–180 laipsnių, priklausomai nuo vatų tankio ir srauto sąlygų. Esant tokioms temperatūroms, vyksta branduolių virimas. Branduolių virimo metu apvalkalo paviršiaus branduolių susidarymo vietose susidaro garų burbuliukai, kurie auga ir atsiskiria, užtikrindami itin efektyvų šilumos perdavimą. Tačiau, jei šilumos srautas yra per didelis arba paviršiaus temperatūra viršija kritinę vertę, branduolių virimas pereina į virimą plėvele, kur ištisinis garų sluoksnis izoliuoja apvalkalą ir sukelia greitą temperatūros padidėjimą. Sienelės storis turi įtakos paviršiaus temperatūrai esant tam tikram vatų tankiui. Esant fiksuotam 12 W/cm² vatų tankiui ant apvalkalo paviršiaus 150 laipsnių vandenyje, 1,2 mm sienelė palaiko maždaug 165–170 laipsnių paviršiaus temperatūrą, kuri saugiai atitinka branduolio virimo režimą. 2,0 mm siena, turinti didesnę šiluminę varžą, pakelia paviršiaus temperatūrą iki 180-185 laipsnių tuo pačiu vatų tankiu. Tai artėja prie kritinio vandens šilumos srauto esant tokiam slėgiui ir temperatūrai. Naudojant arčiau plėvelės virimo perėjimo, padidėja staigių temperatūros pokyčių rizika, jei srautas sumažėja arba padidėja vatų tankis. Todėl 1,2 mm sienelės inžinerinis pagrindimas yra geresnis šiluminis efektyvumas ir didesnė saugos riba nuo plėvelės užvirimo. Plonesnė sienelė palaiko žemesnę paviršiaus temperatūrą, todėl padidėja vatų tankis arba užtikrinamas buferis nuo proceso sutrikimų.

Įtempių korozijos įtrūkimų jautrumas koncentruotame katilo vandenyje

Kaustinės įtampos korozijos įtrūkimai (CSCC) yra žinomas austenitinio nerūdijančio plieno gedimo mechanizmas katilo vandens aplinkoje, kur vietinė kaustinė koncentracija susidaro po nuosėdomis arba vandens linijoje. Jautrumas CSCC didėja didėjant temperatūrai ir didėjant natrio hidroksido koncentracijai. Esant 150 laipsnių , 316 nerūdijančio plieno slenkstinis CSCC įtempis yra maždaug 150{13}}200 MPa praskiestuose šarminiuose tirpaluose, tačiau ši slenkstis smarkiai sumažėja, kai temperatūra pakyla. Liekamasis tempimo įtempis šildytuvo apvalkale kyla iš dviejų šaltinių: vidinio slėgio įtempio (nereikšmingo, kaip parodyta aukščiau) ir gamybos liekamųjų įtempių, atsirandančių dėl vamzdžio tempimo ir lenkimo. Ištemptų 316 nerūdijančio plieno vamzdžių liekamasis lanko įtempis paprastai yra 50–150 MPa, atsižvelgiant į šalto darbo laipsnį ir nuo to, ar vamzdis buvo atkaitintas. 1,2 mm siena, kuri yra plonesnė, paprastai patiria mažesnį liekamąjį tempimą nei 2,0 mm siena, nes norint pasiekti galutinį matmenį reikia mažiau šalto darbo. Lauko patirtis rodo, kad plonesnių sienelių šildytuvai yra mažiau linkę į CSCC inicijavimą, nes jie turi mažesnį liekamąjį įtempį ir dėl to, kad jų žemesnė paviršiaus temperatūra sumažina šarminės koncentracijos greitį. Inžinerinis 1,2 mm sienos pagrindimas apima mažesnį vidinį jautrumą įtempių korozijos įtrūkimams esant identiškoms vandens chemijos sąlygoms.

Šiluminio atsako ir sistemos valdymo svarstymai

Katiliniai vandens panardinamieji šildytuvai dažnai naudojami sistemose, kurioms reikalingas tikslus temperatūros valdymas. Šiluminė apvalkalo masė turi įtakos atsako į valdymo signalus trukmei. 2,0 mm sienoje yra maždaug 67 % daugiau metalo vienam ilgio vienetui nei 1,2 mm sienoje (darant prielaidą, kad išorinis skersmuo toks pat ir 12 mm vamzdis, apvalkalo skerspjūvio plotas padidėja nuo 40,7 mm² iki 62,8 mm²). Šis papildomas metalas veikia kaip šiluminis kondensatorius, sulėtindamas apvalkalo temperatūros pasikeitimą, kai įjungiama arba pašalinama maitinimas. Sistemai, kuri dažnai įsijungia ir išsijungia, storesnė sienelė padidina temperatūros svyravimus ir ilgesnį nusistovėjimo laiką. Dar svarbiau yra tai, kad terminis atsilikimas tarp varžos laido ir apvalkalo paviršiaus reiškia, kad valdymo sistema, reaguojanti į termoporą, esančią ant apvalkalo, turės uždelstą reakciją į laido temperatūros pokyčius. 1,2 mm sienoje laiko konstanta, per kurią šiluma praeina nuo laido iki išorinio paviršiaus, yra maždaug 0,5{19}}1,0 sekundės. 2,0 mm sienoje ši laiko konstanta tęsiasi iki 1,5-3,0 sekundžių. Daugumos katilų valdymo įtaisų atveju šis skirtumas yra nereikšmingas, tačiau naudojant didelio tikslumo programas arba sistemas, kuriose greitai keičiasi apkrova, plonesnė sienelė užtikrina geresnį valdymą. Tokiose srityse 1,2 mm sienelės inžinerinis pagrindimas apima puikų dinaminį atsaką ir griežtesnį temperatūros reguliavimą.

Inžinerinių pagrindų suvestinė lentelė

Išvada: kiekvieno storio inžinerinis pagrindimas

316 nerūdijančio plieno katilų vandens panardinamiesiems šildytuvams esant 150 laipsnių ir 6 barų 1,2 mm ir 2,0 mm apvalkalo storio pasirinkimas nėra visuotinai pranašesnis. 1,2 mm sienelė yra pateisinama, kai vandens chemija yra nuolat gerai kontroliuojama, kai reikalingas didelio vatų tankio veikimas ir kai svarbus šiluminės reakcijos laikas. Tai užtikrina žemesnę paviršiaus temperatūrą, didesnę ribą nuo plėvelės virimo, mažesnius liekamuosius įtempius ir sumažina jautrumą įtempių korozijos įtrūkimams. 2,0 mm sienelė yra pateisinama, kai tikėtini vandens chemijos sutrikimai, kai reikalingas ilgesnis sutrikimo išgyvenimo laikas ir kai projektavimo filosofija teikia pirmenybę korozijai, o ne šiluminėms savybėms. Tai suteikia didesnį metalo rezervą, kurį galima sunaudoti lokalizuoto atakos metu, tačiau dėl aukštesnės paviršiaus temperatūros ir galimai padidėjusios CSCC rizikos. Daugumos šiuolaikinių katilų sistemų su automatizuotu cheminiu apdorojimu ir nuolatiniu stebėjimu inžinerinis pagrindimas teikia pirmenybę 1,2-1,5 mm diapazonui. Senesniems įrenginiams, sistemoms su kintama vandens kokybe arba tais atvejais, kai šildytuvo negalima lengvai patikrinti ir pakeisti, 2,0 mm sienelė yra patikimas konservatyvus pasirinkimas. Nurodydami inžinieriai turėtų pagrįsti savo pasirinkimą remdamiesi vandens chemijos valdymo galimybėmis, numatomu trikdžių dažniu ir vatų tankio reikalavimais, o ne klaidingu įsitikinimu, kad tirštesnis visada yra saugesnis naudojant aukštos temperatūros slėginį vandenį.