Hva er den maksimalt tillatte veggtykkelsen på 316 rustfritt stål for dampoppvarming med lavt-trykk ved 130 grader Celsius med kondensatretur?

Prosessingeniører som konstruerer elektriske varmeovner for dampsystemer med lavt-trykk, som dampkapper, fuktingskamre og steriliseringsutstyr, står overfor et unikt sett med begrensninger med eksistensen av kondensatretur. I motsetning til rent vann eller tørrdamp har kondensatretursystemer en blanding av flytende vann, oppløst oksygen og typisk spormengder karbonsyre fra oppløst karbondioksid. Miljøet er noe korrosivt for 316 rustfritt stål, spesielt ved grensesnittet med vann-damp hvor oksygenkonsentrasjonsgradienter produserer lokal korrosjon. Korrosjonstilskuddet bestemmes av veggtykkelsen til 316-kappen og enda viktigere overflatetemperaturen sammenlignet med metningstemperaturen til dampen. Hvis kappens overflatetemperatur er for lav, oppmuntrer det til dannelse av kondensatbelegg og korrosjon, men hvis den er for høy, øker det avleiring og termisk stress. Denne artikkelen definerer den maksimale veggtykkelsen som er tillatt for 316 kapper i kondensatreturdamptjeneste basert på korrosjonshastigheter og optimalisering av varmeoverføring.

Korrosjonsmekanismer i retur av dampkondensat
Metningstrykket til lavtrykksdamp ved 130 grader er ca. 2,7 bar absolutt. Når damp møter en overflate under metningstemperatur, produserer den kondensat i form av et flytende belegg. Dette kondensatet fjerner oksygen og karbondioksid fra dampen og fra luft i -lekkasje, og danner en moderat sur løsning, med en pH på 4,5 til 6.0. 316 rustfritt stål viser i dette miljøet korrosjonshastigheter generelt på 0,02–0,08 mm/år avhengig av oksygeninnhold og kondensatets regenereringshastighet. Enda viktigere er det at lokaliserte{10}angrep{10} og sprekker-korrosjon{11} oppstår i vannlinjen der kappen trenger inn i kondensatlaget. Dannelse av oksygenkonsentrasjonsceller kan resultere i korrosjonshastigheter nær vannlinjen som er to til fem ganger høyere enn den fullstendig nedsenkede hastigheten. For en fem-årig design-livsvarmer kreves en korrosjonsgrense på 0,2–0,4 mm for generell korrosjon + 0.3–0,6 mm er nødvendig for vannlinjeangrep. En 1,0 mm kappe ville ikke ha tilstrekkelig margin og ville perforert i løpet av to til tre år. 1,6 mm kappen gir en tilstrekkelig margin for fem års levetid. Tykkere vegger kan imidlertid føre til høyere kappeoverflatetemperatur ved en gitt watttetthet, noe som kan påvirke kondensatferden.

Påvirkning av veggtykkelse på kondensatfilmdannelse og korrosjon
For en varmeovn som arbeider i damp ved 130 grader, bør kappens overflatetemperatur være høyere enn metningstemperaturen for å unngå dannelse av kondensatfilm. Tørre dampforhold uten flytende vann på kappen oppnås når overflatetemperaturen er 5-10 grader over metning. 316 korrosjonshastighet i tørr damp er beskjeden - < 0,01 mm per år. Korrosjonshastighetene ovenfor er for en kontinuerlig kondensatfilm ved eller under metningsoverflatetemperatur. Kjedeoverflatetemperaturen beregnes som bulkdamptemperaturen pluss temperaturstigningen på grunn av varmefluksen gjennom kappeveggen. Tykkere vegg gir ledende motstand og øker dermed overflatetemperaturen for en gitt watttetthet. En tykkvegget kappe kan faktisk forhindre korrosjon ved å holde overflaten tørr. En smalvegget kappe kan bli kjøligere og oppmuntre til kondensatangrep. Tenk på en varmeovn på 8 W/cm² i 130 graders damp. Den ytre overflatetemperaturen til en 1,0 mm vegg 316-kappe er omtrent 133 grader, bare 3 grader over metning. Marginale omstendigheter kan produsere periodisk kondensat. Utvendig overflatetemperatur på 1,6 mm veggkappen er omtrent 138 grader - 8 grader over metning, derfor er det en sikker margin for tørr drift. Det er ikke tilsetning av materiale som minimerer korrosjon, men endringen i overflatetilstand fra vått til tørt som den tykke veggen gir. Dette er en viktig lærdom for design av dampsystem: Større vegger kan være bra for korrosjonsbestandighet selv i kondenserende situasjoner.

Anbefalt veggtykkelse for dampservice kondensatretur
Følgende tabell viser akseptable kappeveggtykkelser for elektriske varmeovner i lavtrykksdamptjeneste med kondensatretur. Verdiene er beregnet for kontinuerlig drift, dampkvalitet typisk for industrielle kjelesystemer og en anslått levetid på 5 år.

Damptemperatur Driftswatt-tetthet Anbefalt Minimum 316 Veggtykkelse Anbefalt Maksimum 316 Veggtykkelse Kappe Overflatetemperatur ved maksimal tykkelse Forventet korrosjonsrate Dominant feilmodus 110 grader (1,4 bar) 6 – 10 W/cm² 1,2 mm 2,0 – 105 – 101 grader mm/år Kondensatfilmkorrosjon 120 grader (2,0 bar) 6 – 10 W/cm² 1,2 mm 2,0 mm 125 – 132 grader 0,03 – 0,08 mm/år Overgangs våt/tørr 130 grader (2,7 bar) 6 – 10 W/cm² 1,54 mm grader under 5,54 mm 0,02 mm/år (tørr) Termisk cy
Enhver temperatur, intermitterende kondensering 4 – 8 W/cm² 1,6 mm 2,5 mm Variabel 0,08 – 0,15 mm/år (våte sykluser) Vannlinjegroper
For damptemperaturer som overstiger 140 grader, kan kappens overflatetemperatur overstige 160 grader ved tykke vegger, noe som kan gi lokal koking og avleiring dersom oppløste partikler er tilstede i vannet. I disse tilfellene er det ønskelig at det oppnås en lav-endeveggtykkelse innenfor det spesifiserte området. For damptemperaturer under 120 grader er det vanskelig å etablere tørre kappeforhold med noen praktisk veggtykkelse siden metningstemperaturen er lav og temperaturstigningen på grunn av varmefluks er begrenset. Ved lav-temperaturdamptjeneste bør ingeniører akseptere at det vil være en film av kondensat og derfor spesifisere veggtykkelse på grunnlag av korrosjonsgodtgjørelse i stedet for tørrdrift.

Designmodifikasjoner for å oppnå tørr skjededrift med tynne vegger
Hvis det kreves en tynn-vegget 316-kappe under 1,2 mm i dampservice (vanligvis for rask termisk respons i lavtrykkssystemer), kan tre designendringer resultere i tørr drift til tross for lavere temperaturøkning. Den ene er å forbedre watt-tettheten. En økning i watttettheten fra 5 W/cm² til 10 W/cm² kan øke kappens overflatetemperatur med rundt 15–20 grader og kan endre driften fra våt til tørr. Avveiningen{10} er høyere risiko for lokal overoppheting hvis dampstrømmen stoppes. Den andre justeringen er å kjøre varmeren i en intermitterende modus ved en høyere topptemperatur. En varmeovn som går mellom 130 grader og 180 grader vil bruke mesteparten av tiden sin over metningstemperaturen, med bare korte perioder med kondensatkontakt under oppstart. Hvis varmeren er i tørr tilstand i løpet av minutter, er korrosjonsskader under oppstart begrenset. Den siste endringen er installasjon av et kondensavløp for å hindre at flytende vann dannes rundt varmeren. I fravær av stående kondensat reduseres korrosjonshastigheten sterkt selv om overflaten er fuktig med en tynn film. For de fleste industrielle dampsystemer er en veggtykkelse på 1,6 mm et godt kompromiss mellom korrosjonstilskudd, tørrdriftsmargin og mekanisk styrke. Ingeniørene må gi den nødvendige marginen på overflatetemperatur, ofte 5–10 grader over metning, og be produsenten om å bestemme veggtykkelsen og watttetthetskombinasjonen som vil gi denne marginen. En leverandør som ikke kan gjøre dette anslaget, vil kanskje ikke sette pris på de spesielle behovene til dampkondensatservice.