Qual è lo spessore affidabile della guaina per i riscaldatori a circolazione in acciaio inossidabile 316 in salamoia di cloruro di calcio al 40% a 90 gradi con pressione del sistema a 5 bar

Il principale compromesso-nel servizio di salamoia-ad alta densità

La salamoia di cloruro di calcio (concentrazione al 40%) è un tipico fluido di trasferimento del calore utilizzato nei sistemi di refrigerazione, nelle applicazioni di sbrinamento e nei circuiti di raffreddamento industriali. La salamoia di cloruro di calcio (densità circa 1,4 g/cm3, punto di congelamento -45 gradi a concentrazione ottimale) è più densa della salamoia di cloruro di sodio e può essere mantenuta liquida a temperature più basse. L'acciaio inossidabile 316 soddisfa un ambiente molto esigente a 90 gradi e una pressione del sistema di 5 bar.. 40% La salamoia di cloruro di calcio ha un contenuto di cloruro di circa il 25% in peso ed è molto aggressiva. Tuttavia il comportamento corrosivo è moderato rispetto al cloruro di sodio per la presenza di ioni calcio. Gli ioni calcio inibiscono l'attività degli ioni cloruro mediante accoppiamento ionico. Per uno spessore affidabile della guaina per questa funzione, è necessario prendere in considerazione il contenimento della pressione, la resistenza alla vaiolatura in salamoia ad alto contenuto di cloruro, l'erosione da eventuali solidi sospesi e l'efficienza termica necessaria per il trasferimento di calore. A differenza del cloruro ferrico, per il quale il 316 non è assolutamente adatto, l'acciaio inossidabile 316 può sopportare la salamoia di cloruro di calcio a temperature moderate con il giusto spessore e disciplina operativa.

Contenimento della pressione a 5 bar e 90 C

Il requisito di sollecitazione del telaio per una guaina del riscaldatore a circolazione a una pressione di sistema di 5 bar è piccolo, ma non pari a zero. Per un tubo con diametro esterno di 12 mm, dipende dallo spessore della parete. La formula della sollecitazione del cerchio è σ=P⋅ri/tσ=P⋅ri​/t produce i seguenti valori: per una parete di 1,2 mm (raggio interno 4,8 mm), la sollecitazione è 0,5 MPa per 4,8 mm su 1,2 mm, che dà 2,0 MPa. Per una parete da 2,0 mm (raggio interno 4,0 mm), la sollecitazione è 0,5 MPa x 4,0 mm divisa per 2,0 mm, ovvero 1,0 MPa. Entrambi i risultati sono notevolmente inferiori al limite di snervamento di 170 MPa dell'acciaio inossidabile 316 a 90 gradi. Lo spessore non è determinato solo dal contenimento della pressione. Tuttavia, i riscaldatori a circolazione del sistema glicole sono spesso montati su raccordi filettati o flangiati che devono sopportare la coppia di installazione e le pressioni di espansione termica. Lo spessore minimo nei siti di connessione deve essere 1,2 mm per l'impegno della filettatura e la resilienza meccanica. Pareti più sottili di 1,0 mm potrebbero correre il rischio di sfilacciamento o deformazione del filo durante l'installazione.

Resistenza alla corrosione localizzata in salamoie concentrate di cloruro di calcio

La resistenza alla vaiolatura dell'acciaio inossidabile 316 in una salamoia di cloruro di calcio è molto migliore di quella di una salamoia di cloruro di sodio con percentuali in peso di cloruro simili. Questo perché gli ioni cloruro sono meno attivi nelle soluzioni di cloruro di calcio. La temperatura critica di vaiolatura dell'acciaio inossidabile 316 con una concentrazione di ioni cloruro del 25% (dal 40% di CaCl2) è di circa 45-55 gradi a seconda del contenuto di ossigeno e delle condizioni del flusso. La soluzione è molto al di sopra della temperatura critica di vaiolatura di 90°C, quindi avrà luogo la vaiolatura. La domanda è: a quale velocità si propagano le fosse? I tassi di crescita del pozzo per l'acciaio inossidabile 316 in 40% CaCl₂ a 90 gradi in circostanze aerate sono pubblicati come 0,3-0,8 mm/anno, il valore più basso è associato a condizioni di flusso turbolento che impediscono la concentrazione di cloruro all'ingresso del pozzo. Per un riscaldatore a circolazione con una velocità del flusso di 1,5-2,0 m/s, il tasso di crescita dei pozzi è di circa 0,3-0,5 mm/anno. La profondità massima prevista della fossa è compresa tra 1,5 e 2,5 mm per un periodo di vita di progettazione di cinque anni. Questo calcolo è un fattore diretto per la scelta dello spessore. Una parete di 1,5 mm avrebbe un'alta probabilità di perforazione dopo cinque anni. La parete è 2,0 mm. Dopo 5 anni di espansione dei pozzi, il margine di sicurezza è di 0,5-1,5 mm. Uno spessore della parete di 2,5 mm offre un margine maggiore ma con notevoli penalità in termini di calore e costi. L'intervallo di spessori affidabile per una durata prevista di 5 anni è 2,0-2,3 mm.

Considerazioni sulla corrosione uniforme e sull'attacco alle fessure

Il problema principale è la vaiolatura, tuttavia è possibile misurare la corrosione uniforme in una salamoia di cloruro di calcio al 40% a 90 gradi. Gli studi pubblicati sulla perdita di peso mostrano tassi di corrosione di 0,05-0,12 mm/anno in circostanze di flusso e sono coerenti. Si nota una diminuzione uniforme da 0,25 a 0,60 mm nel corso di 5 anni. Questo danno diminuisce lo spessore effettivo della parete disponibile per resistere alla penetrazione della vaiolatura. Un tasso di corrosione uniforme per 5 anni di 0,10 mm/anno su una parete di 2,0 mm lascia uno spessore di 1,5 mm prima che inizi la vaiolatura. Una fossa che si espandesse ad una velocità di 0,4 mm all'anno per cinque anni raggiungerebbe una profondità di 2,0 mm, perforando il muro. La combinazione di perdita costante e vaiolatura fa sì che una parete da 2,0 mm sia quasi al limite dell'affidabilità per una durata di servizio completa di cinque anni. All'attacco alle fessure delle guarnizioni delle flange, delle connessioni filettate e sotto eventuali depositi di calcare viene data una dimensione aggiuntiva. Nelle fessure della salamoia di cloruro di calcio possono verificarsi tassi di corrosione localizzati di 0,5-1,0 mm all'anno. Per questo motivo, i riscaldatori a circolazione per il servizio della salamoia dovrebbero essere saldati anziché filettati e le guarnizioni dovrebbero essere evitate ove possibile.

Prestazioni termiche delle pareti spesse Costo delle pareti spesse

La conduttività termica della salamoia al 40% di cloruro di calcio è di circa 0,55 W/m·K a 90 gradi, molto inferiore a quella dell'acqua (0,68 W/m·K). Pertanto il coefficiente di scambio termico convettivo nel flusso turbolento è inferiore, solitamente 600-1000 W/m²·K rispetto a 1500-2500 W/m²·K per l'acqua. Pertanto la resistenza termica della guaina contribuisce in misura maggiore al circuito termico totale rispetto al servizio idrico. Per un tubo con diametro esterno di 12 mm, la resistenza elettrica aumenta di circa 0,004 m²·K/W all'aumentare dello spessore della parete da 1,5 mm a 2,5 mm. Questa maggiore resistenza aumenta la temperatura della guaina di 8-10 gradi per una densità di watt tipica del riscaldatore a circolazione di 7-8 W/cm2. Con una parete da 2,5 mm, la temperatura della guaina può essere aumentata a 110-115 gradi per una temperatura complessiva di 90 gradi. Il tasso di vaiolatura a queste temperature è aumentato di circa il 50-100% rispetto a quello a 100 gradi. L'aumento dello spessore della parete per la resistenza alla corrosione potrebbe favorire la vaiolatura a causa dell'effetto del calore. Ciò si traduce in una finestra di spessore ottimale, sufficientemente sottile da preservare la temperatura della guaina<105°C, but thick enough to permit pitting. The optimum range for most calcium chloride circulation systems is 2.0 to 2.2 mm.

Raccomandazioni sullo spessore per diverse condizioni di servizio, affidabili

Per un riscaldatore a circolazione in salamoia al 40% di cloruro di calcio a 90 gradi e 5 bar con flusso turbolento (Re > 10.000) e una durata di progetto di cinque anni, lo spessore affidabile della guaina è 2,0-2,2 mm. Questo spessore consente un margine di vaiolatura di 1,0-1,5 mm dopo cinque anni di corrosione uniforme, assumendo un tasso di crescita delle cavità di 0,4 mm all'anno. Sufficiente per una vita di progetto di 3 anni 1,6-1,8 mm Questo è 2,5-2,8 mm per una vita di progetto di dieci anni, ma la penalità termica diventa considerevole. Un aggiornamento a una lega superiore come 316Ti o 317L può essere più conveniente. Per sistemi con flusso laminare o zone morte con tassi di vaiolatura maggiori, lo spessore deve essere aumentato di 0,3–0,5 mm. Per i sistemi che utilizzano salamoia deareata (ossigeno disciolto inferiore a 100 ppb), il tasso di vaiolatura è ridotto a 0,1-0,2 mm all'anno e può essere ridotto a 1,5-1,8 mm per una durata di cinque anni.

Misure di progettazione pratiche che riducono i requisiti di spessore

Sono disponibili varie misure di progettazione per ridurre lo spessore della guaina necessario senza compromettere l'affidabilità. Innanzitutto, la gestione del flusso: viene imposta una velocità di flusso minima di 1,5 m/s per evitare il ristagno dello strato limite e ridurre al minimo i tassi di vaiolatura di un fattore due. 2. Deareazione: una coltre di azoto sopra il serbatoio di espansione riduce l'ossigeno disciolto da 8 ppm a meno di 0,5 ppm con una notevole riduzione della vaiolatura e tassi di corrosione costanti. Terzo, aggiunta di inibitori. Il cromato di sodio o il molibdato di sodio a 200-500 ppm aumenta notevolmente la resistenza alla vaiolatura e consente una riduzione dello spessore di 0,3-0,5 mm. In quarto luogo, finitura superficiale. I tubi elettrolucidati hanno meno siti di formazione delle cavità e tassi di crescita delle cavità inferiori rispetto ai tubi lucidati meccanicamente. Una parete elettrolucidata da 1,8 mm può avere prestazioni migliori rispetto ad una parete trafilata da 2,2 mm.

Conclusione: lo spessore affidabile per la salamoia di cloruro di calcio

Lo spessore della guaina di 2,0-2,2 mm è risultato affidabile per una durata di progetto di cinque anni dei riscaldatori a circolazione 316 SS in circostanze turbolente e aerate per salamoia al 40% di cloruro di calcio a 90 gradi C e 5 bar di pressione. Questo spessore è un compromesso tra tolleranza di vaiolatura, margine di corrosione uniforme e prestazioni termiche. È probabile che le pareti più sottili di 1,8 mm si forino entro 3 anni. Pareti più spesse superiori a 2,5 mm aumentano la temperatura della guaina fino a raggiungere una regione in cui la vaiolatura accelera e i ritorni si riducono. Le specifiche più affidabili includono non solo lo spessore ma anche le specifiche relative alla velocità minima del flusso (1,5 m/s), alla finitura superficiale (elettrolucidata) e al controllo dell'ossigeno disciolto, ove possibile. Gli ingegneri dovrebbero indicare la vita di progetto in anni e il regime di flusso durante la definizione. Ciò trasforma la decisione sullo spessore da un'ipotesi a un calcolo utilizzando dati di corrosione pubblicati e modelli termici che forniscono prestazioni affidabili a lungo termine in una delle condizioni saline più problematiche per l'acciaio inossidabile 316.