Qual è lo spessore della guaina verificato per i riscaldatori in acciaio inossidabile 316 in soluzione di nitrato di ammonio al 25% a 110 gradi con una pressione di 3 bar e senza cloruri

Servizio di fertilizzanti ossidanti: il compromesso fondamentale-off

Una soluzione al 25% di nitrato di ammonio (NH₄NO₃) è un intermediario comune nella produzione di fertilizzanti e come fluido termovettore in alcune operazioni industriali. L'atmosfera è altamente ossidante a 110°C e 3 bar di pressione a causa della presenza dello ione nitrato che è un inibitore catodico e di fatto passiva l'acciaio inossidabile 316. La vaiolatura è il problema principale quando si utilizzano soluzioni contenenti cloruro. Nel caso del nitrato di ammonio è necessario tenere presente due diversi meccanismi di cedimento: tensocorrosione in soluzioni concentrate di nitrato e corrosione generale se il pH si sposta al di fuori dell'intervallo stabile. Senza cloruri la decisione sullo spessore è molto più semplice. Per questa funzione, lo spessore della guaina verificato è regolato dall'integrità meccanica, dalla tolleranza alla corrosione uniforme e dalla resistenza alla fessurazione indotta dai nitrati-. L’efficienza termica è una considerazione minore ma importante.

Comportamento elettrochimico nelle soluzioni di NO3

Lo ione nitrato è un agente ossidante molto forte e protegge la pellicola passiva sull'acciaio inossidabile 316 in un ampio intervallo di temperature e concentrazioni. Il potenziale di corrosione nel nitrato di ammonio al 25% a 110°C è in media compreso tra +200 e +400 mV rispetto a un elettrodo di riferimento in argento-cloruro d'argento ed è ben all'interno della regione passiva. Il tasso di corrosione uniforme in tali ambienti è molto basso, nell'ordine di 0,002-0,008 mm all'anno, sulla base di studi sulla perdita di peso delle attrezzature utilizzate nel settore dei fertilizzanti. La tolleranza di corrosione uniforme per dieci anni è di 0,02-0,08 mm per un riscaldatore a parete da 1,2 mm e il metallo sano è superiore a 1,1 mm. In questa applicazione, lo spessore non è determinato dalla corrosione uniforme. Il film passivo è stabile se il pH della soluzione è compreso tra 4 e 9. Lo ione ammonio è un acido debole, quindi le soluzioni di nitrato di ammonio hanno naturalmente un pH compreso tra 5 e 6, che è un intervallo di pH stabile. La velocità di corrosione può aumentare se la soluzione viene contaminata con acidi (da disturbi del processo a monte) o alcali (da detergenti). Tuttavia, tali disturbi sono generalmente di breve durata e non richiedono una grande tolleranza alla corrosione.

Rischio di fessurazione da corrosione da stress da nitrati

La tensocorrosione (SCC) è la principale preoccupazione per l'acciaio inossidabile 316 nelle soluzioni calde di nitrato di ammonio. La SCC da nitrati è ampiamente utilizzata per gli acciai inossidabili austenitici e la suscettibilità aumenta con la temperatura e la concentrazione di nitrati. A 110°C e al 25% di nitrato di ammonio, il rischio di SCC è moderato, ma non trascurabile. I fattori cruciali per l'avvio della SCC sono lo stress da trazione (dovuto alla produzione o alla pressione) e l'esistenza di un rivestimento concentrato di nitrato sulla superficie. L'SCC del nitrato può svilupparsi su un ampio intervallo di potenziale, mentre l'SCC del cloruro si verifica a potenziali specifici. Il tasso di propagazione delle cricche dell'SCC di nitrato nell'acciaio inossidabile 316 a 110°C è generalmente di 0,05-0,2 mm/anno dopo l'innesco. La preoccupazione fondamentale per una guaina riscaldante sono le sollecitazioni di trazione residue derivanti dalla trafilatura e dalla piegatura del tubo. In generale, minore è lo spessore della parete, minori sono le tensioni residue, poiché è necessaria meno lavorazione a freddo per raggiungere la dimensione finale. Un tubo trafilato da 1,2 mm solitamente contiene sollecitazioni circolari residue di 50-100 MPa, mentre un tubo da 2,0 mm può avere 80-150 MPa. La parete più spessa presenta uno stress residuo maggiore, che aumenta la probabilità di inizio di SCC. L'effettiva esperienza sul campo con gli evaporatori di nitrato di ammonio ha dimostrato che i riscaldatori in acciaio inossidabile 316 a pareti sottili-(1,2-1,5 mm) durano costantemente più dei riscaldatori a pareti spesse (2,0-2,5 mm). L'analisi dei guasti ha dimostrato che i guasti delle pareti spesse sono causati dall'SCC mentre le pareti sottili falliscono per altre cause diverse dalla corrosione dopo un servizio prolungato.

Contenimento della pressione - 3 bar

Con una pressione di sistema di 3 bar, il fabbisogno di sollecitazione del telaio è piuttosto ridotto. Per un tubo con diametro esterno=12 mm e parete=1.2 mm, la sollecitazione del cerchio è 0,3 MPa x 4,8 mm / 1,2 mm=1.2 MPa. Per un muro di 2,0 mm la sollecitazione è 0,3 MPa x 4,0 mm/2,0 mm=0.6 MPa. Entrambi sono piccoli rispetto al limite di snervamento di 170 MPa. Non è necessario che lo spessore del contenimento a pressione sia speciale. Ma il riscaldatore deve essere sufficientemente robusto dal punto di vista meccanico per resistere alla coppia di installazione sui collegamenti filettati. Per un impegno affidabile è necessario uno spessore minimo di impegno del filetto di 1,0-1,2 mm. Meno di 1,0 mm, il rischio di sfilamento o distorsione del filo aumenta notevolmente, in particolare nei riscaldatori di diametro maggiore.

Esigenze di riscaldamento del processo ed efficienza termica

La conduttività termica delle soluzioni di nitrato di ammonio è paragonabile a quella dell'acqua, ovvero. 0.60-0.65 W/m K a 110°C. Il coefficiente di trasferimento del calore convettivo per il flusso turbolento è 1000-2000 W/m²·K a seconda della velocità. La resistenza termica della guaina è di circa 0,0004 m²·K/W per uno spessore di parete di 1,2 mm e 0,0007 m²·K/W per uno spessore di parete di 2,0 mm. Questa differenza corrisponde ad una differenza di temperatura della guaina di 3-4°C con una densità di watt di 10 W/cm² (comune per i riscaldatori a circolazione). Per un processo soggetto a surriscaldamento localizzato, è fondamentale mantenere la temperatura della guaina quanto più bassa possibile. Il nitrato di ammonio può degradarsi esotermicamente sopra i 180°C. Una parete da 1,2 mm riscalda la soluzione sfusa da 110°C a 10 W/cm² fino a circa 125-130°C sulla superficie della guaina. Una parete da 2,0 mm è in funzione a 128-134 gradi. La temperatura di decomposizione del nitrato di ammonio è di circa 200 gradi. Entrambi tuttavia sono molto più bassi e la differenza termica non è significativa per la sicurezza. Tuttavia, la parete più sottile è leggermente migliore in termini di efficienza energetica.

Linee guida sullo spessore confermate dall'esperienza del settore

Il settore dei fertilizzanti ha una grande esperienza operativa con apparecchiature in acciaio inossidabile 316 per il servizio del nitrato di ammonio. I riscaldatori a immersione e a circolazione hanno uno spessore della guaina comprovato di 1,2-1,6 mm per un'affidabilità a lungo termine. L'uso di pareti più sottili inferiori a 1,0 mm è impedito da problemi di movimentazione meccanica. Vengono evitate anche le pareti più spesse superiori a 1,8 mm in quanto dimostrano uno stress residuo più elevato e una maggiore probabilità di cedimento dell'SCC. All'interno dell'intervallo comprovato, 1,4-1,5 mm è considerato il miglior compromesso, sufficientemente spesso per garantire resistenza meccanica e una moderata tolleranza alla corrosione, ma sufficientemente sottile per ridurre al minimo lo stress residuo e il rischio di SCC. Per una durata prevista di 10 anni in nitrato di ammonio al 25% a 110°C e 3 bar di pressione senza cloruri presenti, uno spessore di parete di 1,4 mm è completamente adeguato. Anche le strutture con buoni standard di movimentazione possono utilizzare una parete da 1,2 mm. La parete da 1,6 mm offre un margine meccanico aggiuntivo ma nessun vantaggio in termini di corrosione o SCC rispetto alla parete da 1,4 mm.

Muri più spessi che in realtà sono peggiori

Pareti più spesse non sono necessarie nel servizio con nitrato di ammonio e possono essere pericolose. Le maggiori tensioni residue derivanti dalla produzione di tubi più spessi aumentano la forza motrice per l'avvio dell'SCC. Quando si sviluppa una fessura, la parete più spessa ha più materiale da fratturare, ma il tasso di crescita della fessura è indipendente dallo spessore. Una parete da 2,0 mm con una crescita della fessura di 0,1 mm/anno impiegherà 20 anni per perforarsi, una parete da 1,2 mm impiegherà 12 anni. Ma il muro più spesso ha un rischio maggiore di inizio fessura. I dati sul campo provenienti dalle fabbriche di nitrato di ammonio indicano che i riscaldatori con pareti da 2,0-2,5 mm si guastano a causa dell'SCC in 3-6 anni, mentre i riscaldatori con pareti da 1,2-1,5 mm dello stesso impianto funzionano per 8-12 anni e spesso si guastano per il degrado dell'isolamento elettrico, piuttosto che per la perforazione della guaina. Il risultato provato è che le pareti più sottili sono superiori nelle situazioni di SCC con nitrati a causa delle ridotte deformazioni residue.

Confronto delle scelte di spessore verificate

Sollecitazione residua dell'anello Probabilità di innesco di SCC Spessore della guaina Tolleranza alla corrosione uniforme (10 anni) Robustezza meccanica Durata di servizio comprovata sul campo
1,0 mm 40-80 MPa Basso 0,02-0,08 mm Marginale 8-10 anni (dipende dalla manipolazione)
1,2 mm 50-90 MPa Bassa 0,02-0,08 mm Adeguata 10-12 anni
1,4 mm 60-100 MpaBassa-moderata 0,02-0,08 mmBuona 10-12 anni (migliore)
1,6 mm 70-110 MPa Media 0,02-0,08 mm8-10 anni Molto buona
2,0 mm 90-140 MPaModerata-Elevata 0,02-0,08 mm Eccellente 5-7 anni (limitata da SCC)
2,5 mm 110-160 MPa Alta 0,02-0,08 mm Eccellente 3-5 anni (limitata SCC)
Conclusione: spessore confermato per l'affidabilità a lungo termine

Riscaldatori in acciaio inossidabile 316 in soluzione di nitrato di ammonio al 25% a 110°C con pressione di 3 bar senza cloruri, l'intervallo di spessore della guaina comprovato è compreso tra 1,2-1,6 mm con 1,4-1,5 mm appropriato per la maggior parte delle installazioni. Dal punto di vista della corrosione, pareti più sottili inferiori a 1,2 mm sono accettabili, ma corrono il rischio di danni meccanici durante l'installazione e la pulizia. Le pareti più spesse, superiori a 1,6 mm, contengono tensioni residue maggiori che aumentano il pericolo di fessurazioni per tensocorrosione da nitrati e quindi hanno una durata di servizio inferiore, anche con una maggiore quantità di metallo. Ciò è contrario al presupposto ingegneristico generale secondo cui in questo ambiente uno spessore maggiore è sempre migliore per la resistenza alla corrosione. Ciò è dovuto al fatto che il meccanismo di cedimento maggiore (SCC) è guidato dallo stress residuo, che aumenta con lo spessore. Gli ingegneri che scelgono un riscaldatore per il servizio del nitrato di ammonio dovrebbero specificare uno stress residuo massimo consentito (solitamente 100 MPa) piuttosto che uno spessore minimo. Ciò garantisce che il produttore utilizzi un tubo adeguatamente ricotto con un basso stress residuo, che è più significativo dello spessore assoluto della parete. La maggior parte delle applicazioni può essere specificata con 1,4-1,5 mm allo stato solubilizzato per fornire la combinazione confermata di robustezza meccanica, resistenza SCC ed efficienza termica per una durata di servizio di dieci anni.