Каква е дългосрочната-разлика в ефективността между 1,5 mm и 2,5 mm дебелина на обвивката за нагреватели от неръждаема стомана 316 в суспензия от 10% сурова фосфорна киселина при 80 градуса с абразивни кристали

Основният компромис-в услугата за производство на фосфорна киселина

Производството на фосфорна киселина чрез -мокър процес генерира сурова суспензия, съдържаща 10% фосфорна киселина, смесена с кристали на полухидрат или дихидрат на калциев сулфат, нереагирали частици от фосфатни скали и различни метални примеси. Тази среда е уникално агресивна, защото съчетава умерено киселинна среда (pH 1-2) с твърди частици, които разяждат пасивния филм върху неръждаема стомана 316. Електрически потопяеми нагреватели, използвани в концентратори на фосфорна киселина или атакуващи резервоари, са изправени пред едновременно химическа корозия и механична абразия. Решението за дебелина на обвивката между 1,5 mm и 2,5 mm представлява дългосрочно{10}}изчисление на производителността, при което допълнителният метал в по-дебелата стена трябва да бъде претеглен спрямо топлинните и механични последици от работа с по-голямо напречно-сечение. За разлика от услугата с чиста течност, където корозията е единствената грижа, това приложение изисква проследяване на два взаимодействащи механизма на разграждане през многогодишни кампании.

Ерозия-Синергия на корозия и нейната зависимост от дебелината

В чиста фосфорна киселина при 80 градуса, неръждаема стомана 316 показва еднаква скорост на корозия от приблизително 0,1-0,3 mm на година, в зависимост от концентрацията на флуоридни и хлоридни примеси, присъстващи в суровата киселина. Добавянето на абразивни кристали-кристалите полухидрат на калциев сулфат обикновено са с размер 10-100 микрона и имат твърдост по Mohs от 2,5-3,0-променя механизма на разграждане от чиста корозия към ерозия-корозия. Удрящите се частици непрекъснато премахват защитния пасивен филм, излагайки свежия метал на киселината. Скоростта на ерозия-корозия не е просто сбор от скоростта на чиста ерозия и скоростта на чиста корозия. Вместо това се получава синергичен ефект, когато скоростта на корозия на непрекъснато де-пасивирания метал е много по-висока от скоростта на корозия на стабилна пасивна повърхност. Публикуваните данни за неръждаема стомана 316 в 10% фосфорна киселина с 5-10% твърди вещества при 80 градуса и скорост на суспензията от 1,5 m/s показват скорости на ерозия-корозия от 0,6-1,2 mm на година, три до шест пъти по-високи от скоростта на чиста корозия. За дебелина на стената 1,5 mm изчисленото време до перфорация при непрекъсната ерозия-корозия е 1,3-2,5 години. За стена от 2,5 mm изчисленото време се простира до 2,1-4,2 години. Тези изчисления обаче предполагат постоянна скорост на ерозия-корозия. В действителност, докато стената изтънява, локалното разпределение на напрежението на повърхността се променя и скоростта на ерозия може да се ускори, защото по-тънката стена се отклонява повече при удара на частиците, създавайки по-високи локални напрежения, които разрушават повърхността по-лесно. Дългосрочните данни за ефективността от заводи за фосфорна киселина показват, че степента на ерозия-корозия често се увеличава с 20-40%, след като дебелината на стената падне под 1,0 mm. Това означава, че стената от 2,5 мм не само започва с повече метал, но и работи за по-дълъг период, преди да влезе в този режим на ускорение.

Енергия на удара на кристала и механичната роля на дебелината на стената

Абразивните кристали в суспензията от сурова фосфорна киселина не просто се плъзгат по повърхността; те въздействат под различни ъгли в зависимост от модела на потока около нагревателя. За цилиндрична нагревателна тръба в напречен-поток, частиците в суспензията се удрят в предния ръб под почти-нормални ъгли (висока енергия на удара, максимална ерозия) и страните под ъгли на косене (по-ниска ерозия). Енергията на удара на кристал на калциев сулфат, движещ се с 1,5 m/s, е приблизително 0,5-2 микроджаула в зависимост от размера на частиците. Тази енергия е достатъчна, за да причини микропластична деформация на повърхността на неръждаема стомана 316. Дълбочината на пластично деформирания слой от всеки удар обикновено е 1-5 микрона. При милиони удари, кумулативното отстраняване на материала протича чрез механизъм на умора: многократните удари причиняват втвърдяване при работа, след това започване на пукнатини, след това отделяне на малки метални фрагменти. Скоростта на отстраняване на материала е обратно пропорционална на твърдостта на метала и също зависи от способността на основния насипен материал да абсорбира енергията на удара без напукване. По-дебелата стена осигурява по-голяма еластична основа под засегнатата повърхност. Модулът на еластичност на неръждаема стомана 316 е 193 GPa, а твърдостта на стената на тръбата при огъване е пропорционална на куба на дебелината за даден външен диаметър. Стена от 2,5 mm има приблизително 4,6 пъти по-голяма твърдост на огъване от стена от 1,5 mm (2,5³ делено на 1,5³ е равно на 4,6). Тази по-висока твърдост намалява динамичната деформация при удар на частици, намалявайки пиковото контактно напрежение и намалявайки скоростта на ерозия. Полевите измервания от нагреватели на фосфорни инсталации показват, че скоростите на ерозия на водещия ръб на 2,5 mm стени тръби обикновено са с 20-30% по-ниски, отколкото при 1,5 mm стени тръби при идентични условия на суспензия, единствено поради ефекта на коравина.

Нарушение на топлинната ефективност на по-дебелата стена при услуга за замърсяване

Суровата фосфорна киселина е известна с замърсяването. Кристалите на калциевия сулфат са склонни да се отлагат върху нагрети повърхности, образувайки нагар, който изолира тръбата и намалява преноса на топлина. Скоростта на образуване на котлен камък зависи от температурата на повърхността спрямо кривата на разтворимост на калциевия сулфат. При температури на обвивката над 90-95 градуса, разтворимостта на калциевия сулфат полухидрат намалява и утаяването се ускорява. За 1,5 mm стенен нагревател, работещ в 80-градусова насипна киселина с ватова плътност от 6 W/cm², температурата на повърхността на обвивката е приблизително 95-100 градуса, точно на прага за ускорено мащабиране. За стена от 2,5 mm при същата плътност на вата, температурата на обвивката се повишава до 110-120 градуса, доста в режима на мащабиране. Натрупването на котлен камък върху тръбата със стена 2,5 mm ще бъде значително по-бързо и по-дебело, отколкото върху тръбата 1,5 mm. След като се образува слой от котлен камък, той добавя свое собствено термично съпротивление, като повишава температурата на обвивката още по-високо в само-примка. 2,5 mm стена с 0,5 mm калциев сулфат има ефективна термична устойчивост, еквивалентна на 4,0 mm стена. Тази скала не само намалява преноса на топлина, но също така създава пукнатини отдолу, където масовата киселинна химия става локално концентрирана, ускорявайки корозията. Следователно дългосрочната{30}}разлика в производителността между двете дебелини зависи критично от това дали мащабът може да се контролира. В инсталации, които използват механично почистване (спинери или скрепери) или химическо отстраняване на котлен камък, 2,5 mm стена може да постигне своя по-дълъг живот срещу ерозия и корозия. В инсталации, където е позволено да се натрупва котлен камък, стената от 1,5 mm може действително да работи по-добре, защото по-ниската й повърхностна температура забавя образуването на котлен камък, а когато се образува котлен камък, по-тънката основна стена поддържа по-висок топлинен поток през комбинирания слой стена плюс котлен камък.

Термичен цикъл и диференциални напрежения при разширение

Концентраторите на фосфорна киселина работят на периодични цикли или с периодично подаване, което кара нагревателя да претърпява топлинни цикли от околната до 80 градуса и обратно. Всеки термичен цикъл генерира диференциални напрежения на разширение между съпротивителния проводник, изолацията от магнезиев оксид и обвивката от неръждаема стомана. Големината на тези напрежения е пропорционална на дебелината на обвивката, тъй като по-дебелият участък предлага по-голяма устойчивост на термично разширение и свиване. За промяна на температурата от 80 градуса, свободното разширение на неръждаема стомана 316 е приблизително 0,1% (коефициент 16 x 10⁻⁶ / градус по 80 градуса се равнява на 0,00128). За тръба с външен диаметър 12 mm това разширение е 0,015 mm. Стена от 1,5 mm може да поеме това разширение по-лесно чрез еластична деформация, отколкото стена от 2,5 mm. В продължение на хиляди цикли по-дебелата стена изпитва по-високи циклични напрежения на границата между обвивката и изолацията от магнезиев оксид. Това може да доведе до напукване на изолацията, което намалява диелектричната якост и в крайна сметка причинява електрическа повреда. Дългосрочните-данни за ефективността от фосфорни инсталации показват, че 2,5 mm стенни нагреватели имат по-висок процент на електрическа повреда (разрушаване на изолацията) от 1,5 mm стенни нагреватели след 3-5 години експлоатация, дори когато стената от 2,5 mm все още има подходяща оставаща дебелина на метала. По-дебелата стена заменя живота на корозия и ерозия с живот на термична умора.

Обобщение за сравнение на-дългосрочната ефективност

Практически стратегии за удължаване на живота извън избора на дебелина

Никаква дебелина на обвивката сама по себе си не решава проблема със суспензията с фосфорна киселина. Три допълващи се стратегии се оказаха ефективни за удължаване на живота на нагревателя отвъд прогнозите, базирани само на дебелината. Първо, управление на потока: ориентирането на нагревателните тръби успоредно на потока на суспензията, а не перпендикулярно, намалява ъглите на удара и намалява степента на ерозия с 40-60%. Второ, повърхностно втвърдяване: азотирането или борирането на повърхността от неръждаема стомана 316 повишава твърдостта на повърхността от 200 HV до 800-1000 HV, като драстично намалява степента на ерозия без увеличаване на термичната устойчивост. Една повърхностно закалена тръба от 1,5 mm може да издържи два пъти по-дълго от необработена тръба от 2,5 mm. Трето, контрол на котления камък: поддържането на температурата на насипната киселина под 75 градуса или добавянето на инхибитори на котления камък като полиакрилати поддържа повърхността на обвивката под прага на утаяване на калциев сулфат, което позволява използването на по-тънки, термично по-ефективни стени. Някои заводи успешно експлоатираха 1,2 mm стенни нагреватели с повърхностно втвърдяване и инхибиране на котлен камък в продължение на пет или повече години, превъзхождайки необработените 2,5 mm нагреватели, които се повредиха от прегряване, предизвикано от котлен камък.

Заключение: Разликата в производителността, оправдана от условията на работа

Дългосрочната-разлика в производителността между 1,5 mm и 2,5 mm дебелина на обвивката за нагреватели от неръждаема стомана 316 в суспензия от 10% сурова фосфорна киселина при 80 градуса не е просто предимство за по-дебелата стена. Стената от 2,5 mm осигурява 1,5-2,0 пъти по-дълъг живот на ерозия-корозия при непрекъснато обслужване с ниско-нагар, но страда от по-високи повърхностни температури, които ускоряват образуването на котлен камък, и от по-нисък живот на термична умора. Стената от 1,5 mm предлага по-добри термични характеристики, по-ниска тенденция за образуване на котлен камък и по-дълъг живот на термична умора, но има по-малък метален резерв за ерозия-корозия. За повечето инсталации за производство на фосфорна киселина оптималната дебелина е между тези крайности при приблизително 1,8-2,0 mm, съчетана с мерки за повърхностно втвърдяване и контрол на котления камък. Когато е принудена да избира между двете, инсталация с добър контрол на мащаба и непрекъсната работа трябва да избере 2,5 mm стена, за да увеличи максимално живота на ерозия-корозия. Инсталация с групова работа, чести топлинни цикли или ограничена способност за отстраняване на котлен камък трябва да избере стената от 1,5 mm, за да избегне образуването на котлен камък и повреди от термична умора. Спецификацията винаги трябва да включва изисквания за обработка на повърхността и подробности за ориентацията на потока, превръщайки простия избор на дебелина в цялостен дизайн на нагревателя за суспензия.