90 डिग्री और कम प्रवाह की स्थिति में 2000 पीपीएम क्लोराइड के साथ 50% प्रोपलीन ग्लाइकोल में 316 स्टेनलेस स्टील फ्लो हीटर के लिए सत्यापित शीथ मोटाई क्या है

क्लोराइड संदूषण के साथ ग्लाइकोल निषेध में बुनियादी व्यापार छूट गया

प्रोपलीन ग्लाइकोल (पीजी) खाद्य प्रसंस्करण, फार्मास्युटिकल विनिर्माण और ब्रूइंग अनुप्रयोगों में पसंद का गर्मी हस्तांतरण तरल पदार्थ है जहां एथिलीन ग्लाइकॉल की विषाक्तता अस्वीकार्य है। पानी में 50% पीजी घोल लगभग -35 C तक अच्छी फ्रीज सुरक्षा देता है और सही ढंग से तैयार होने पर संक्षारण अवरोधक के रूप में भी कार्य करता है। हालाँकि, औद्योगिक पीजी सर्किट में क्लोराइड कई स्रोतों जैसे अवशिष्ट सफाई एजेंटों, हीट एक्सचेंजर्स के माध्यम से कूलिंग टॉवर के पानी की घुसपैठ या सादे (बिना नरम) मेकअप पानी के उपयोग से सर्किट में अपना रास्ता बनाते हैं। पीजी 2000 पीपीएम क्लोराइड स्तर पर अपनी संक्षारण सुरक्षा खो देता है, जो आमतौर पर खराब रखरखाव वाले सिस्टम या समुद्री जल रिसाव वाले सिस्टम में देखा जाने वाला स्तर है। 90 डिग्री ऑपरेटिंग तापमान और सीमा परत के ठहराव के पक्ष में कम प्रवाह की परिस्थितियों में, 316 स्टेनलेस स्टील में गड्ढे और दरार के क्षरण का काफी खतरा होता है। इस एप्लिकेशन में, म्यान की मोटाई एक साधारण संक्षारण भत्ता गणना नहीं है, बल्कि यह प्रदर्शित करने के लिए एक सत्यापन अभ्यास है कि चयनित दीवार क्लोराइड के संयुक्त हमले, ऊंचे तापमान और कम प्रवाह के कारण कम गर्मी हस्तांतरण का सामना कर सकती है।

प्रोपलीन ग्लाइकोल समाधान में क्लोराइड द्वारा प्रेरित गड्ढे का तंत्र

90 डिग्री पर 50% प्रोपलीन ग्लाइकोल समाधान में 2000 पीपीएम क्लोराइड 316 स्टेनलेस स्टील पर निष्क्रिय फिल्म के लिए एक आक्रामक वातावरण है। प्रोपलीन ग्लाइकोल स्वयं कमजोर रूप से निरोधात्मक है, हालांकि इसका निषेध तंत्र धातु की सतह पर ग्लाइकोल अणु के सोखने पर निर्भर करता है। 90 डिग्री पर अधिशोषित परत तापीय गति के कारण कम कुशल होती है। क्लोराइड आयन अत्यधिक गतिशील और छोटे होते हैं और सतह के स्थानों के लिए प्रतिस्पर्धा करते हैं और निष्क्रिय कोटिंग को तोड़ने के बाद सतह पर सल्फाइड समावेशन या खरोंच जैसे कमजोर स्थानों पर गड्ढे का कारण बनते हैं। 2000 पीपीएम क्लोराइड घोल में 316 स्टेनलेस स्टील का क्रिटिकल पिटिंग तापमान अकेले पानी में लगभग 50-60 डिग्री है। अवरोधक ग्लाइकोल की उपस्थिति 50% प्रोपलीन ग्लाइकोल में महत्वपूर्ण जमाव तापमान को 10-15 डिग्री से लगभग 65-75 डिग्री तक बढ़ा देती है। ऑपरेटिंग तापमान 90 डिग्री है और इस प्रकार सिस्टम को महत्वपूर्ण पिटिंग तापमान से ऊपर संचालित किया जाता है, ताकि गड्ढे की शुरुआत का सवाल "अगर" नहीं बल्कि "कब" हो। एक बार गड्ढा बन जाने के बाद, इसके विकास की दर का अनुमान ऑक्सीजन की उपलब्धता और समाधान प्रतिरोधकता के आधार पर लघुगणक या रैखिक प्रवृत्ति द्वारा लगाया जा सकता है। 90 डिग्री पर क्लोराइड दूषित ग्लाइकोल में 316 स्टेनलेस स्टील के लिए प्रकाशित परिणाम वातित स्थितियों के लिए 0.2 - 0.6 मिमी/वर्ष की गड्ढे वृद्धि दर को दर्शाते हैं। प्रति वर्ष 5000 घंटे (लगभग 60% शुल्क) के अपेक्षित परिचालन समय वाले हीटर के लिए 0.4 मिमी/वर्ष की दर से विस्तार करने वाली खाई 3.75 वर्षों में 1.5 मिमी की दीवार को छेद देगी। 2.0 मिमी की दीवार इसे 5 साल तक बढ़ाएगी। हालाँकि, ये गणनाएँ एक ही गड्ढे पर आधारित होती हैं, जबकि वास्तव में कई गड्ढों की शुरुआत होती है और विफलता को सबसे गहरे गड्ढे से नियंत्रित किया जाता है।

संक्षारण और इसके प्रवर्धन पर कम प्रवाह की स्थिति का प्रभाव

इस अनुप्रयोग के लिए, कम प्रवाह की स्थिति विशेष रूप से हानिकारक होती है क्योंकि वे म्यान की सतह पर सीमा परत को संक्षारण उत्पादों और क्लोराइड आयनों से सुपरसैचुरेटेड होने की अनुमति देते हैं। सतह से दूर क्लोराइड का संवहन 0.5 मीटर/सेकंड से कम प्रवाह वेग के लिए दृढ़ता से सीमित है। धातु की सतह पर क्लोराइड की मात्रा थोक की तुलना में पांच या दस गुना हो सकती है और इसलिए गड्ढे की क्षमता बहुत कम हो जाती है। जब गर्मी का प्रवाह मजबूत होता है तो कम प्रवाह भी म्यान की सतह पर आंशिक उबलने या फिल्म उबलने का पक्ष लेता है। बुलबुले का बनना और ढहना यांत्रिक रूप से निष्क्रिय परत को ख़राब कर देता है और बुलबुले के नीचे पतली तरल फिल्म में स्थानीय रूप से केंद्रित क्लोराइड समाधान बनाता है। यह तंत्र विशिष्ट "पिटिंग रिंग" पैटर्न की ओर ले जाता है जो विफल हीटरों पर बबल न्यूक्लिएशन साइटों के आसपास देखा जाता है। उदाहरण के लिए, 90 डिग्री के थोक तापमान और 7-8 डब्लू/सेमी2 के शीथ वाट घनत्व में उपयोग किए जाने वाले 316 स्टेनलेस स्टील से बने फ्लो हीटर के लिए, कम प्रवाह की स्थिति में भी सीमा परत की सतह का तापमान 110-120 डिग्री से अधिक हो सकता है। इन तापमानों पर महत्वपूर्ण गड्ढे की सीमा बहुत अधिक हो जाती है और गड्ढे के प्रसार की दर 1-2 मिमी/वर्ष हो सकती है। इसलिए सत्यापित मोटाई को न केवल थोक क्लोराइड सांद्रता और तापमान को ध्यान में रखना चाहिए बल्कि कम प्रवाह के स्थानीयकृत प्रवर्धन प्रभाव को भी ध्यान में रखना चाहिए। एक मोटाई जो थोक सेटिंग्स में पर्याप्त लगती है वह महीनों के भीतर टूट सकती है जब प्रवाह 0.3 मीटर/सेकंड से कम हो।

थर्मल हाइड्रोलिक इंटरैक्शन अधिकतम मोटाई को सीमित करता है

दीवार की मोटाई, गर्मी संचरण और कम प्रवाह की परस्पर क्रिया अधिकतम व्यावहारिक म्यान मोटाई पर एक और सीमा लगाती है। दीवार की मोटाई बढ़ने के साथ थर्मल प्रतिरोध बढ़ता है जिससे समान विद्युत ऊर्जा इनपुट के लिए शीथ सतह का तापमान बढ़ जाता है। कम प्रवाह पर, संवहन ताप अंतरण गुणांक पहले से ही कम हो जाता है -आम तौर पर 0.3 मीटर/सेकेंड पर 300-600 W/m²·K जबकि 2 m/s पर 1500-2500 W/m²·K की तुलना में। खराब संवहन परिदृश्य में मोटी दीवार प्रवाहकीय प्रतिरोध को बढ़ाती है। 50% पीजी में 12 मिमी बाहरी व्यास ट्यूब की दीवार की मोटाई को 90 डिग्री पर और 0.3 मीटर/सेकंड के प्रवाह वेग के साथ 1.2 मिमी से 2.0 मिमी तक बढ़ाने से 7 वॉट/सेमी2 के वाट घनत्व पर म्यान का तापमान ∼125 डिग्री से 155 डिग्री तक बढ़ जाता है। 30 डिग्री तापमान वृद्धि के परिणामस्वरूप अरहेनियस व्यवहार के बाद क्लोराइड जमाव दर में 3 से 5 गुना वृद्धि होती है। मोटी दीवार, जो संक्षारण भत्ता प्रदान करती है, इसके बजाय गड्ढे पर हमला इतना तेज़ कर देती है कि शुद्ध सेवा जीवन पतली, ठंडी दीवार से कम हो सकता है। इस स्वयं को पराजित करने वाले फीडबैक लूप का मतलब है कि कम प्रवाह, उच्च क्लोराइड ग्लाइकोल प्रणालियों में मोटाई की एक इष्टतम सीमा होती है, जिसके आगे अधिक धातु जीवन को बढ़ाने के बजाय कम कर देती है। शराब की भठ्ठी और खाद्य उद्योग परिसंचरण हीटर दोनों के लिए सत्यापित फ़ील्ड डेटा क्लोराइड संदूषण वाले अधिकांश 50% पीजी सिस्टम के लिए इष्टतम 1.4 और 1.8 मिमी के बीच दिखाता है।

विभिन्न प्रवाह व्यवस्थाओं के लिए पुष्टि की गई मोटाई अनुशंसाएँ

जहां प्रवाह वेग हमेशा 1.0 मीटर/सेकंड से अधिक होने का आश्वासन दिया जा सकता है, 1.5-1.7 मिमी की मोटाई 2000 पीपीएम क्लोराइड की उपस्थिति में पांच साल तक विश्वसनीय सेवा देती है। मध्यम मोटाई सामान्य वाट घनत्व पर शीथ तापमान को 120 डिग्री से नीचे रखती है और अशांत प्रवाह सतह पर क्लोराइड एकाग्रता को रोकता है। रुक-रुक कर प्रवाह वाले सिस्टम के लिए न्यूनतम सत्यापित मोटाई 1.8-2.0 मिमी हो जाती है या जहां कुछ परिचालन चरणों में प्रवाह 0.5 मीटर/सेकेंड से कम हो सकता है। यह अतिरिक्त धातु संक्षारण भत्ता के लिए उतनी नहीं है जितनी कि कम प्रवाह की घटनाओं के दौरान होने वाले तीव्र गड्ढे को सहन करने के लिए है। हालाँकि, 2.0 मिमी की दीवार के लिए, कम प्रवाह पर शीथ तापमान को 135 डिग्री से नीचे रखने के लिए वाट घनत्व 5-6 W/cm2 तक सीमित होना चाहिए। यदि स्थान या हीटिंग क्षमता सीमाओं के कारण वाट घनत्व को कम करना संभव नहीं है, तो जंग के थर्मल त्वरण को रोकने के लिए मोटाई 1.5-1.6 मिमी तक सीमित होनी चाहिए, और सिस्टम मालिक को तीन से चार साल की छोटी सेवा जीवन को स्वीकार करना होगा . 316 उन प्रणालियों के लिए स्टेनलेस का सुझाव नहीं दिया जाता है जहां मोटाई की परवाह किए बिना हीटिंग चक्र के दौरान प्रवाह पूरी तरह से स्थिर (शून्य वेग) हो सकता है। स्थिर परिस्थितियों में स्थानीय उबलना अपरिहार्य है और उच्च सतह का तापमान, क्लोराइड सामग्री और यांत्रिक बुलबुला क्रिया एक से दो वर्षों में किसी भी व्यावहारिक मोटाई को खत्म कर देगी। ऐसी परिस्थितियों में एक टाइटेनियम शीथ या इंकोलॉय 825 हीटर निर्दिष्ट किया जाना चाहिए।

संक्षारण परीक्षण और फ़ील्ड डेटा के माध्यम से सत्यापन

मोटाई के लिए उपरोक्त सिफारिशों का समर्थन करने वाले साक्ष्य के तीन स्रोत हैं: 50% पीजी में 316 स्टेनलेस स्टील कूपन के 90 डिग्री पर 2000 पीपीएम NaCl के साथ प्रयोगशाला विसर्जन परीक्षण के दौरान उत्तेजित परीक्षणों (उच्च प्रवाह) में 0.2-0.3 मिमी/वर्ष की गहराई और अस्थिर परीक्षणों (कम प्रवाह) में 0.5-0.8 मिमी/वर्ष देखी गई। दूसरा, फूड प्लांट ग्लाइकोल लूप्स में तीन से पांच साल के बाद सेवा से बाहर किए गए सर्कुलेशन हीटरों के फील्ड निरीक्षण से पता चलता है कि 1500-2500 पीपीएम पर क्लोराइड का स्तर बताया गया है कि 1.5-1.6 मिमी की दीवारों और अशांत प्रवाह वाली इकाइयों में अधिकतम गड्ढे की गहराई 0.4-0.7 मिमी है, जिससे पर्याप्त अवशिष्ट दीवार बचती है। 2.0-2.2 मिमी दीवारों और खराब प्रवाह वाली इकाइयों में गड्ढे की गहराई 0.8-1.2 मिमी होती है, इसलिए नहीं कि कम प्रतिरोधी सामग्री होती है, बल्कि इसलिए क्योंकि दीवार की मोटाई बढ़ने से सतह का तापमान बढ़ जाता है और हमले में तेजी आती है। तीसरा, 80-100 डिग्री पर क्लोराइड दूषित पीजी में 316 स्टेनलेस स्टील के इलेक्ट्रोकेमिकल ध्रुवीकरण स्कैन से पता चलता है कि गड्ढे की क्षमता 100 डिग्री से ऊपर तेजी से गिरती है, जिससे पुष्टि होती है कि इस सीमा से नीचे म्यान तापमान रखना मोटाई जोड़ने से अधिक महत्वपूर्ण है।

निष्कर्ष: विश्वसनीय सेवा के लिए मोटाई की सत्यापित सीमा

कम प्रवाह की स्थिति में 90 डिग्री पर 2000 पीपीएम क्लोराइड के साथ 50% प्रोपलीन ग्लाइकोल में 316 स्टेनलेस स्टील फ्लो हीटर के लिए म्यान की मोटाई के निर्धारण के लिए एक मान्य सीमा को पिटिंग प्रतिरोध और थर्मल त्वरण को संतुलित करने के लिए आवश्यक है। अच्छे डिज़ाइन की प्रणालियों के लिए, 1.0 मीटर/सेकंड के प्रवाह वेग और 6-8 डब्लू/सेमी2 के वाट घनत्व के साथ, 1.5-1.7 मिमी की मोटाई एक वैध 5 साल की सेवा जीवन देती है। 0.5 मीटर/सेकेंड से कम सामान्य संचालन प्रवाह दर वाले सिस्टम के लिए, मोटाई 1.8-2.0 मिमी तक बढ़ाई जानी चाहिए, लेकिन केवल तभी जब वाट घनत्व एक साथ 5-6 डब्ल्यू/सेमी² तक कम हो जाए। कोई भी प्रणाली जहां प्रवाह में ठहराव हो सकता है, 316 स्टेनलेस स्टील के लिए स्वीकार्य नहीं है, चाहे उसकी मोटाई कुछ भी हो। इस कठिन वातावरण के लिए हीटर निर्दिष्ट करने वाले इंजीनियरों को न केवल दीवार की मोटाई, बल्कि न्यूनतम स्वीकार्य प्रवाह वेग, अधिकतम वाट घनत्व और सेवा के दौरान पालन की जाने वाली सत्यापन विधि (कूपन परीक्षण या इलेक्ट्रोकेमिकल निगरानी) भी निर्दिष्ट करनी होगी। यह एक बुनियादी आयामी आवश्यकता को एक मान्य संक्षारण प्रबंधन तकनीक में बदल देता है जो सीधे दीवार की मोटाई को क्लोराइड-दूषित ग्लाइकोल सिस्टम में प्रतिरोध और थर्मल प्रदर्शन से संबंधित करता है।