Qual è il costo-Spessore ottimizzato della guaina per riscaldatori per serbatoi di stoccaggio in acciaio inossidabile 316 in soluzione di idrossido di sodio al 30% a 50 gradi con durata di progettazione di cinque-anni

Il compromesso di base-nel servizio caustico a media temperatura

Il 30% di idrossido di sodio a 50 gradi è un'applicazione tipica, sebbene spesso interpretata erroneamente, per i riscaldatori ad immersione in acciaio inossidabile 316 su serbatoi di stoccaggio di idrossido di sodio. A questa temperatura e concentrazione, l'acciaio inossidabile 316 è generalmente resistente alla corrosione. A causa della creazione di un rivestimento passivo stabile e protettivo nell'ambiente caustico concentrato, i tassi di corrosione uniforme sono molto bassi (solitamente 0,01–0,03 mm all'anno). In base al solo attacco uniforme, un muro di 1,0 mm potrebbe teoricamente durare da 33 a 100 anni. I veri pericoli non sono la corrosione diffusa, ma due fenomeni localizzati: fessurazione da tensocorrosione caustica all'interfaccia liquido-vapore e vaiolatura dovuta alla contaminazione da cloruro introdotta durante il riempimento o da alimentazione caustica impura. Lo spessore della guaina ottimizzato in termini di costi per una durata prevista di cinque anni non è quindi definito dalla tolleranza alla corrosione nel senso classico, ma dallo spessore minimo per sopravvivere a disturbi localizzati, per fornire robustezza meccanica per l'installazione e la pulizia e per evitare spese di materiale non necessarie. Lo spessore effettivamente ottimizzato per i costi-viene sviluppato in questa ricerca sulla base del compromesso-tra i costi dei materiali e la durata di servizio-corretta per il rischio.

Cinque-anni di indennità per la corrosione uniforme del servizio

I dati sulla corrosione per l'acciaio inossidabile 316 in idrossido di sodio al 30% a 50 gradi, pubblicati da NACE e ASTM International, indicano un tasso di corrosione uniforme di 0,01-0,03 mm/anno in condizioni aerate e anche inferiore (0,005-0,015 mm/anno) in condizioni disaerate tipiche della sostanza caustica immagazzinata che ha consumato l'ossigeno disciolto. La perdita totale uniforme di metallo è di 0,05-0,15 mm ogni cinque anni. Lo spessore minimo di una guaina in acciaio inox 316 per preservarne l'integrità alla pressione e la resistenza meccanica è di circa 0,4-0,5 mm. Aggiungendo la tolleranza di corrosione di cinque anni a questo minimo si ottiene uno spessore teorico necessario di 0,45–0,65 mm. Spessori superiori a 0,7 mm non migliorano la resistenza alla corrosione costante. Tutte le pareti da 1,2 mm, 1,5 mm e 2,0 mm offerte dai produttori di riscaldatori vanno ben oltre questo minimo. Dal punto di vista della corrosione pura e uniforme, la guaina più sottile disponibile in commercio (solitamente 1,0-1,2 mm) è più che adatta per una durata prevista di cinque anni.

Rischio di attacco localizzato e requisiti per il margine turbato

The uniform corrosion is small but the localised attack due to chloride contamination or due to the creation of caustic concentration cells at the liquid-vapor interface demands greater metal reserve. Technical sodium hydroxide usually comprises 50-500 ppm chloride as a contaminant from the production process (membrane cell or diaphragm cell procedures). 316 stainless steel in 30% caustic with 200 ppm chlorides has a critical pitting temperature of >60 gradi a 50 gradi pertanto in condizioni tipiche non è prevista vaiolatura. Tuttavia, concentrazioni localizzate di cloruri possono formarsi sulla superficie della guaina durante i cicli di evaporazione, se il serbatoio viene riscaldato e poi lasciato raffreddare, o se il riscaldatore si accende e si spegne. In tali condizioni di shock, sono possibili tassi di vaiolatura fino a 0,1–0,3 mm/anno per brevi periodi. Anche solo un mese di condizioni instabili potrebbe comportare una profondità della fossa di 0,025-0,075 mm in cinque anni. Ancora più importante, è necessaria una combinazione di stress da trazione, concentrazione caustica e aumento della temperatura perché si verifichino fessurazioni da corrosione da stress caustico all'interfaccia liquido-vapore. Il rischio di CSCC a 50 gradi è piccolo ma non nullo. Se avviata, il tasso di crescita della frattura è di circa 0,05-0,2 mm/anno. Una frattura che si espande a 0,1 mm/anno sfonderebbe una parete di 1,2 mm in 12 anni. Se il muro avesse uno spessore di 1,0 mm si romperebbe in 10 anni. Entrambi hanno una durata prevista di cinque anni. Ma una parete più sottile di 0,8 mm verrebbe perforata in otto anni, lasciando un margine di sicurezza di tre anni. " Pertanto, lo spessore ottimizzato in termini di costi deve fornire un margine di sicurezza contro attacchi localizzati non rilevati. L'esperienza sul campo con impianti di stoccaggio di sostanze caustiche indica che uno spessore minimo di 1,0-1,2 mm fornirà un margine di sicurezza accettabile di cinque anni per la maggior parte delle installazioni. La possibilità che una fessura o un solco cresca fino a una profondità superiore a 1,2 mm in cinque anni è estremamente bassa se utilizzata correttamente, tanto che uno spessore maggiore superiore a 1,5 mm aumenterà i costi senza una riduzione proporzionale del rischio.

Resistenza meccanica per il montaggio e la pulizia

L'anidride carbonica atmosferica viene assorbita e si formano cristalli di carbonato di sodio, quindi i serbatoi di stoccaggio dell'idrossido di sodio devono essere periodicamente puliti. I riscaldatori possono essere estratti, maneggiati e rimessi a posto durante la pulizia. Potrebbero anche essere feriti dagli strumenti di pulizia o dalla sostanza caustica ghiacciata che talvolta si forma sulle pareti dei serbatoi. Pertanto è di interesse pratico valutare la resistenza meccanica della guaina. Una parete di 1,2 mm può essere piegata o ammaccata con un impatto lieve. Una parete da 1,5 mm è notevolmente più rigida. I danni da manipolazione sono molto più resistenti ad una parete da 2,0 mm. Ma il costo di riparazione o sostituzione di un riscaldatore danneggiato è spesso molto inferiore alla spesa incrementale di una parete più spessa per un’intera flotta di riscaldatori. Per un singolo riscaldatore da 3 kW, la differenza nel costo del materiale tra una guaina da 1,2 mm e una da 2,0 mm è circa il 15-25% del costo totale del riscaldatore. Se la probabilità di danni meccanici durante i cinque anni di vita è inferiore al 10%, il costo previsto del danno è inferiore al costo iniziale aggiuntivo del muro più spesso. Nella maggior parte degli impianti di stoccaggio ben gestiti, dove i riscaldatori vengono trattati con cura, lo spessore ottimizzato in termini di costi per la robustezza meccanica è di 1,2-1,5 mm. Negli impianti soggetti a movimentazione difficile o in cui i riscaldatori si trovano in posizioni inaccessibili, 1,8-2,0 mm possono essere giustificati in termini di costi.

Problemi relativi al costo energetico e alle prestazioni termiche

La differenza nella resistenza termica tra gli spessori incide direttamente sul consumo di energia nell’arco di cinque anni. Per un riscaldatore con diametro esterno di 12 mm, in NaOH al 30% a 50 gradi, il coefficiente di trasferimento di calore convettivo è di circa 600-1000 W/m^2K a seconda dell'agitazione. Un aumento dello spessore della parete da 1,2 mm a 2,0 mm comporta una resistenza termica aggiuntiva di circa 0,004 m2K/W. Per un riscaldatore con un'area della guaina di 0,1 m² che funziona a una temperatura ambiente di 50 gradi per 8000 ore all'anno (funzionamento continuo) questa perdita di calore extra è circa 0,004 volte la differenza di temperatura e l'area, ovvero circa il 2-3% in meno di produzione di calore per lo stesso assorbimento elettrico. Nell’arco di cinque anni, questa perdita di efficienza significa un ulteriore consumo di elettricità di 2.000-3.000 kWh per 10 kW di capacità di riscaldamento. Ad un prezzo dell’energia industriale di 0,08 dollari per kWh, il costo energetico aggiuntivo in cinque anni è di 160-240 dollari per riscaldatore da 10 kW. La differenza nel costo iniziale tra una guaina da 1,2 mm e una da 2,0 mm per un riscaldatore da 10 kW è in genere di $ 50-100. La parete più sottile giustifica quindi il minor costo del materiale con una migliore efficienza e rappresenta quindi la scelta ottimizzata in termini di costi per il funzionamento continuo. Per operazioni intermittenti (2000 ore all'anno di utilizzo del riscaldatore), la differenza nel costo energetico si riduce a 40-60 dollari per un periodo di 5 anni, il che potrebbe non essere sufficiente a convalidare l'argomentazione sull'efficienza, ma favorisce comunque la parete più sottile in base al solo costo del materiale.

Tabella di analisi dello spessore ottimizzata in termini di costi

Fattore di costo Guaina da 1,2 mm Guaina da 1,5 mm Guaina da 2,0 millimetri Guaina da 2,5 mm Costo del materiale (rispetto a 1,2 mm) 1.00 1.10 1.17 1.31
Tolleranza alla corrosione uniforme (5 anni) 0,05-0,15 mm 0,05-0,15 mm 0,05-0,15 mm 0,05-0,15 mm
Margine di sopravvivenza alterato (vaiolatura/CSCC) 1,05-1,15 mm 1,35-1,45 mm 1,85-1,95 mm 2,35-2,45 mm
Penalità sull'efficienza energetica (5 anni, continuativi) 0% (baseline) 1-2% 2-3% 3-5%
Possibilità di 5 anni di danno meccanico previsto: costo $ 30-50 $ 20-40 $ 10-20 $ 5-15
Costo totale in 5 anni (riscaldatore+energia+danno) per 10 kW $ 1.000-1.100 $ 1.050-1.180 $ 1.100-1.250 $ 1.200-1.400
Costo ottimizzato per il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Eccellente Molto buono Discreto Scarso
Ottimizzato per il funzionamento intermittente Migliore Migliore Accettabile Scarso
Quando il costo di pareti più spesse è giustificato

Notwithstanding the preceding analysis, there are certain instances where a thicker wall will be the most cost effective solution. First, if the caustic is known to have high chloride levels (>500 ppm) e il serbatoio funziona a temperature superiori a 60 gradi, una parete da 1,8-2,0 mm fornisce una tolleranza alla corrosione necessaria che una parete da 1,2 mm non può fornire. La spesa iniziale dello spessore è più che ripagata dal costo di un cedimento prematuro in 2 anni. In secondo luogo, una parete più spessa resiste all'usura in corrispondenza della flangia di montaggio quando il serbatoio è sottoposto a ripetuti cicli termici che fanno espandere e contrarre il riscaldatore contro le aperture del serbatoio. In terzo luogo, se il riscaldatore è montato in un serbatoio che non può essere svuotato per ispezione o riparazione senza una grave interruzione della produzione, il costo dei tempi di fermo non programmati supporta uno spessore conservativo di 2,0 mm anche se la probabilità statistica di guasto è minima. In quarto luogo, se la sostanza caustica contiene materiali solidi abrasivi come cristalli di carbonato di sodio che si depositano sul riscaldatore, sono necessari un tasso di erosione-corrosione di 0,05-0,1 mm/anno e una riserva di metallo aggiuntiva.

Conclusione: lo spessore-ottimizzato in termini di costi nel servizio regolare

Per la stragrande maggioranza dei serbatoi di stoccaggio di idrossido di sodio al 30% a 50 gradi con livelli tipici di cloruro inferiori a 200 ppm e con procedure di gestione ragionevoli, lo spessore della guaina ottimizzato in termini di costi per una durata di progetto di cinque anni è compreso tra 1,2 e 1,4 mm. Questo spessore fornisce una tolleranza alla corrosione superiore a dieci volte la perdita uniforme prevista, un margine di sicurezza contro l'attacco localizzato di 1,0 mm o più, un'adeguata robustezza meccanica per una manipolazione prudente e la migliore efficienza termica. Passare a 1,5-1,6 mm comporta un aumento del costo del materiale e una perdita di efficienza con un piccolo guadagno nella già bassa probabilità di guasto dovuto alla corrosione. È giustificabile solo se il costo è giustificato e solo in presenza di circostanze particolari quali elevati livelli di cloruri, particelle abrasive, cicli termici frequenti o gravi penalità di produzione per sostituzioni non programmate. Quando si specifica un riscaldatore per lo stoccaggio di sostanze caustiche, gli ingegneri dovrebbero richiedere l'analisi del cloruro della fornitura di idrossido di sodio e il ciclo di lavoro stimato. Da ciò, lo spessore-ottimizzato in termini di costi può essere determinato come 1,2 mm per sostanze caustiche pulite con cloruri inferiori a 100 ppm; 1,4-1,6 mm per sostanze caustiche con cloruri fino a 500 ppm; e 2,0 mm solo quando determinate considerazioni sul rischio giustificano il premio. Ciò trasforma la decisione sullo spessore da un'impostazione predefinita verso muri più grandi in una decisione ingegneristica basata sui dati e ottimizzata in termini di costi, che bilancia il costo iniziale dei materiali con le spese operative quinquennali e la probabilità di guasto adeguata al rischio.