Qual è lo spessore della guaina verificato per i riscaldatori di flusso in acciaio inossidabile 316 in glicole propilenico al 50% con cloruri 2000 ppm a 90 gradi e condizioni di flusso basso

Il compromesso di base-tra l'inibizione del glicole e la contaminazione da cloruro

Il glicole propilenico (PG) è il fluido termovettore preferito nelle applicazioni di trasformazione alimentare, produzione farmaceutica e produzione di birra dove la tossicità del glicole etilenico è inaccettabile. Una soluzione di PG al 50% in acqua offre una buona protezione dal gelo fino a circa -35 C e funziona anche come inibitore della corrosione se preparata correttamente. Tuttavia, nei circuiti PG industriali, i cloruri tendono a penetrare nel circuito da diverse fonti, quali detergenti residui, infiltrazione dell'acqua della torre di raffreddamento attraverso scambiatori di calore o l'uso di acqua di reintegro semplice (non addolcita). Il PG perde la sua protezione dalla corrosione a livelli di cloruro di 2000 ppm, che è un livello normalmente osservato in sistemi con scarsa manutenzione o con perdite di acqua di mare. A una temperatura operativa di 90 gradi e circostanze di flusso basso che favoriscono il ristagno dello strato limite, l'acciaio inossidabile 316 è esposto a un rischio considerevole di vaiolatura e corrosione interstiziale. In questa applicazione, lo spessore della guaina non è un semplice calcolo della tolleranza alla corrosione, ma un esercizio di verifica per dimostrare che la parete selezionata può resistere all'attacco combinato di cloruri, temperatura elevata e trasferimento di calore ridotto a causa del basso flusso.

Meccanismo di vaiolatura indotto dal cloruro nelle soluzioni di glicole propilenico

I 2000 ppm di cloruri nella soluzione di glicole propilenico al 50% a 90 gradi costituiscono un ambiente aggressivo per la pellicola passiva sull'acciaio inossidabile 316. Il glicole propilenico stesso è debolmente inibitorio, tuttavia il suo meccanismo di inibizione dipende dall'adsorbimento della molecola di glicole sulla superficie metallica. A 90 gradi lo strato adsorbito è meno efficiente a causa del movimento termico. Gli ioni cloruro sono altamente mobili e minuscoli e competono per le posizioni superficiali e causano vaiolature nei punti deboli come inclusioni di solfuro o graffi sulla superficie dopo aver rotto il rivestimento passivo. La temperatura critica per vaiolatura dell'acciaio inossidabile 316 in una soluzione di cloruro da 2000 ppm è di circa 50-60 gradi solo in acqua. La presenza del glicole inibitore aumenta la temperatura critica di vaiolatura nel glicole propilenico al 50% da circa 10–15 gradi a circa 65–75 gradi. La temperatura operativa è di 90 gradi e il sistema viene quindi utilizzato al di sopra della temperatura critica di vaiolatura, in modo che la questione dell'avvio della fossa non sia "se" ma "quando". Una volta formato un solco, la velocità della sua crescita può essere prevista mediante un andamento logaritmico o lineare a seconda della disponibilità di ossigeno e della resistività della soluzione. I risultati pubblicati per l'acciaio inossidabile 316 in glicole contaminato da cloruro a 90 gradi rivelano tassi di crescita dei pozzi di 0,2 – 0,6 mm/anno per condizioni aerate. Una trincea che si espande ad una velocità di 0,4 mm/anno perforerebbe una parete di 1,5 mm in 3,75 anni per un riscaldatore con un tempo di funzionamento previsto di 5000 ore all'anno (circa il 60% di utilizzo). Un muro di 2,0 mm estenderebbe il periodo a 5 anni. Tuttavia, questi calcoli si basano su un singolo pozzo, quando in realtà vengono aperti numerosi pozzi e il cedimento è controllato da quello più profondo.

Effetti delle condizioni di basso flusso sulla corrosione e sua amplificazione

Per questa applicazione, le condizioni di basso flusso sono particolarmente dannose poiché consentono allo strato limite sulla superficie della guaina di sovrasaturarsi con prodotti di corrosione e ioni cloruro. La convezione dei cloruri lontano dalla superficie è fortemente limitata per velocità di flusso inferiori a 0,5 m/sec. Il contenuto di cloruro sulla superficie metallica può essere cinque o dieci volte superiore a quello della massa e quindi riduce notevolmente il potenziale di vaiolatura. Un flusso basso favorisce anche l'ebollizione parziale o l'ebollizione della pellicola sulla superficie della guaina quando il flusso di calore è forte. La formazione e il collasso delle bolle degradano meccanicamente lo strato passivo e creano soluzioni di cloruro localmente concentrate nel sottile film liquido sotto la bolla. Questo meccanismo porta al caratteristico modello di "anello di vaiolatura" che si osserva attorno ai siti di nucleazione delle bolle sui riscaldatori guasti. Ad esempio, per un riscaldatore di flusso in acciaio inossidabile 316 utilizzato a una temperatura complessiva di 90 gradi e una densità di watt della guaina di 7-8 W/cm2, la temperatura superficiale dello strato limite può essere superiore a 110-120 gradi anche in condizioni di flusso basso. A queste temperature la soglia critica della vaiolatura viene ampiamente superata e la velocità di propagazione della vaiolatura può essere di 1-2 mm/anno. Lo spessore verificato deve quindi prendere in considerazione non solo la concentrazione e la temperatura del cloruro in massa, ma anche l'impatto dell'amplificazione localizzata del basso flusso. Uno spessore che sembra sufficiente in ambienti di grandi dimensioni potrebbe rompersi nel giro di pochi mesi quando il flusso è inferiore a 0,3 m/s.

Interazioni termoidrauliche che limitano lo spessore massimo

L'interazione tra spessore della parete, trasmissione del calore e basso flusso impone un ulteriore limite allo spessore massimo praticabile della guaina. All'aumentare dello spessore della parete aumenta la resistenza termica che fa aumentare la temperatura superficiale della guaina a parità di potenza elettrica assorbita. A flusso basso, il coefficiente di trasferimento di calore convettivo è già ridotto-tipicamente 300–600 W/m²·K a 0,3 m/s rispetto a 1500–2500 W/m²·K a 2 m/s. Una parete più spessa aumenta la resistenza conduttiva in uno scenario convettivo negativo. Aumentando lo spessore della parete di un tubo con diametro esterno di 12 mm in 50% PG, a 90 gradi e con una velocità del flusso di 0,3 m/s da 1,2 mm a 2,0 mm si aumenta la temperatura della guaina da circa 125 gradi a 155 gradi con una densità di watt di 7 W/cm2. L'aumento della temperatura di 30 gradi determina un aumento da 3 a 5 volte della velocità di vaiolatura del cloruro in seguito al comportamento di Arrhenius. La parete più spessa, che dovrebbe offrire tolleranza alla corrosione, invece rende l'attacco vaiolato così veloce che la durata utile netta potrebbe essere inferiore rispetto a quella di una parete più sottile e più fredda. Questo ciclo di feedback auto-distruttivo significa che nei sistemi di glicole a basso-flusso e ad alto-cloruro esiste un intervallo ottimale di spessore oltre il quale una maggiore quantità di metallo riduce la durata anziché estenderla. I dati verificati sul campo per i riscaldatori a circolazione sia dei birrifici che dell'industria alimentare mostrano che lo spessore ottimale è compreso tra 1,4 e 1,8 mm per la maggior parte dei sistemi PG al 50% con contaminazione da cloruro.

Raccomandazioni sullo spessore confermate per vari regimi di flusso

Dove si può garantire che la velocità del flusso sia sempre superiore a 1,0 m/s, uno spessore di 1,5-1,7 mm offre un servizio affidabile per cinque anni in presenza di 2000 ppm di cloruri. Lo spessore moderato mantiene la temperatura della guaina al di sotto di 120 gradi a densità di watt normali e il flusso turbolento impedisce la concentrazione di cloruro in superficie. Lo spessore minimo verificato diventa 1,8-2,0 mm per sistemi con flusso intermittente o dove il flusso può diventare inferiore a 0,5 m/s in alcune fasi operative. Questo metallo aggiuntivo non serve tanto per tollerare la corrosione quanto per sopportare la rapida vaiolatura che si verifica durante gli eventi di basso flusso. Tuttavia, per una parete di 2,0 mm, la densità di watt deve essere limitata a 5-6 W/cm2 per mantenere la temperatura della guaina al di sotto di 135 gradi a flusso basso. Nel caso in cui non sia possibile ridurre la densità di watt a causa di limitazioni di spazio o di capacità di riscaldamento, lo spessore deve essere limitato a 1,5–1,6 mm per prevenire l'accelerazione termica della corrosione e il proprietario del sistema deve accettare una durata di servizio ridotta di tre o quattro anni.. 316 L'acciaio inossidabile non è consigliato per i sistemi in cui il flusso può essere completamente stagnante (velocità zero) durante i cicli di riscaldamento, indipendentemente dallo spessore. In condizioni stagnanti l'ebollizione localizzata è inevitabile e l'elevata temperatura superficiale, il contenuto di cloruro e l'azione meccanica delle bolle penetrano attraverso qualsiasi spessore pratico in uno o due anni. In tali circostanze è necessario specificare una guaina in titanio o un riscaldatore Incoloy 825.

Verifica tramite test di corrosione e dati sul campo

Le tre fonti di prova a sostegno delle raccomandazioni sopra riportate per lo spessore sono: Profondità di vaiolatura di 0,2–0,3 mm/anno sono state osservate nei test con agitazione (flusso elevato) e 0,5–0,8 mm/anno nei test senza agitazione (flusso basso) durante i test di immersione in laboratorio di provini di acciaio inossidabile 316 in 50% PG con 2000 ppm di NaCl a 90 gradi. In secondo luogo, le ispezioni sul campo dei riscaldatori a circolazione messi fuori servizio dopo tre-cinque anni nei circuiti del glicole di impianti alimentari dove sono stati segnalati livelli di cloruro a 1500-2500 ppm mostrano che le unità con pareti di 1,5-1,6 mm e flusso turbolento hanno profondità massime di fossa di 0,4-0,7 mm lasciando una parete residua sufficiente. Le unità con pareti di 2,0-2,2 mm e scarso flusso hanno profondità dei pozzi di 0,8-1,2 mm non a causa di un materiale meno resistente ma perché l'aumento dello spessore delle pareti ha aumentato la temperatura superficiale e accelerato l'attacco. In terzo luogo, le scansioni di polarizzazione elettrochimica dell'acciaio inossidabile 316 in PG contaminato da cloruro a 80-100 gradi mostrano che il potenziale di vaiolatura scende bruscamente sopra i 100 gradi, confermando che mantenere la temperatura della guaina al di sotto di questa soglia è più importante che aggiungere spessore.

Conclusione: la gamma di spessori verificata per un servizio affidabile

È necessario un intervallo convalidato per la determinazione dello spessore della guaina per scaldacqua in acciaio inossidabile 316 in glicole propilenico al 50% con 2.000 ppm di cloruri a 90 gradi in condizioni di flusso basso per bilanciare la resistenza alla vaiolatura e l'accelerazione termica. Per i sistemi di buona progettazione, con velocità di flusso di 1,0 m/s e densità di watt di 6-8 W/cm2, uno spessore di 1,5-1,7 mm offre una durata di servizio convalidata di 5 anni. Per sistemi con portata di funzionamento normale inferiore a 0,5 m/s, lo spessore dovrebbe essere aumentato a 1,8-2,0 mm, ma solo se la densità di watt viene contemporaneamente ridotta a 5-6 W/cm². Nessun sistema in cui possa verificarsi ristagno del flusso è accettabile per l'acciaio inossidabile 316, indipendentemente dal suo spessore. Gli ingegneri che specificano un riscaldatore per questo ambiente difficile devono specificare non solo lo spessore della parete, ma anche la velocità del flusso minima consentita, la densità di watt massima e il metodo di verifica (test del coupon o monitoraggio elettrochimico) da seguire durante il servizio. Ciò trasforma un requisito dimensionale di base in una tecnica di gestione della corrosione convalidata che mette direttamente in relazione lo spessore della parete con la resistenza alla vaiolatura e le prestazioni termiche nei sistemi di glicole contaminati da cloruro.