Kāda ir ilgtermiņa veiktspējas atšķirība{0}} starp 1,5 mm un 2,5 mm apvalka biezumu 316 nerūsējošā tērauda sildītājiem 10% fosforskābes neapstrādātā suspensijā 80 grādu temperatūrā ar abrazīviem kristāliem

Fosforskābes ražošanas pakalpojuma{0}}būtiskā maiņa

Fosforskābes ražošanas slapjā-procesa rezultātā tiek iegūta neapstrādāta suspensija, kas satur 10% fosforskābes, kas sajaukta ar kalcija sulfāta hemihidrāta vai dihidrāta kristāliem, nereaģējušas fosfāta iežu daļiņas un dažādus metāliskus piemaisījumus. Šī vide ir unikāli agresīva, jo tajā ir apvienota vidēji skāba barotne (pH 1-2) ar cietām daļiņām, kas noārda 316 nerūsējošā tērauda pasīvo plēvi. Elektriskie iegremdējamie sildītāji, ko izmanto fosforskābes koncentratoros vai uzbrukuma tvertnēs, vienlaikus ir pakļauti ķīmiskai korozijai un mehāniskai nobrāzumam. Apvalka biezuma lēmums no 1,5 mm līdz 2,5 mm ir ilgtermiņa veiktspējas aprēķins, kurā papildu metāls biezākajā sienā ir jāsalīdzina ar termiskajām un mehāniskajām sekām, ko rada darbība ar lielāku šķērsgriezumu. Atšķirībā no tīra šķidruma pakalpojuma, kur korozija ir vienīgā problēma, šai lietojumprogrammai ir nepieciešams izsekot diviem savstarpēji mijiedarbīgiem degradācijas mehānismiem vairāku gadu kampaņu laikā.

Erozija{0}}Korozijas sinerģija un tās biezuma atkarība

Tīrā fosforskābē 80 grādu temperatūrā 316 nerūsējošais tērauds uzrāda vienmērīgu korozijas ātrumu aptuveni 0,1-0,3 mm gadā atkarībā no jēlskābē esošo fluorīda un hlorīda piemaisījumu koncentrācijas. Abrazīvu kristālu pievienošana-kalcija sulfāta hemihidrāta kristāli parasti ir 10-100 mikronu lieli un to Mosa cietība ir 2,5-3,0-, maina noārdīšanās mehānismu no tīras korozijas uz eroziju{23}}. Triecošās daļiņas nepārtraukti noņem pasīvo aizsargplēvi, pakļaujot svaigu metālu skābei. Erozijas{29}}korozijas ātrums nav tikai tīrās erozijas ātruma un tīrās korozijas ātruma summa. Tā vietā rodas sinerģisks efekts, ja pastāvīgi de{32}}pasivētā metāla korozijas ātrums ir daudz lielāks nekā stabilas pasīvās virsmas korozijas ātrums. Publicētie dati par 316 nerūsējošo tēraudu 10% fosforskābē ar 5-10% cietvielu pie 80 grādiem un suspensijas ātrumu 1,5 m/s liecina, ka erozijas-korozijas ātrums ir 0,6-1,2 mm gadā, kas ir trīs līdz sešas reizes lielāks nekā tīras korozijas ātrums. Sienas biezumam 1,5 mm aprēķinātais laiks līdz perforācijai nepārtrauktas erozijas-korozijas apstākļos ir 1,3-2,5 gadi. 2,5 mm sienai aprēķinātais laiks pagarinās līdz 2,1-4,2 gadiem. Tomēr šajos aprēķinos tiek pieņemts nemainīgs erozijas-korozijas ātrums. Realitātē, sienai plānājot, mainās lokālais sprieguma sadalījums virsmā, un erozijas ātrums var paātrināties, jo plānāka siena daļiņu trieciena ietekmē vairāk izliecas, radot lielākus lokālos deformācijas, kas vieglāk salauž virsmu. Fosforskābes rūpnīcu ilgtermiņa veiktspējas dati liecina, ka erozijas-korozijas ātrums bieži palielinās par 20–40%, kad sieniņu biezums nokrītas zem 1,0 mm. Tas nozīmē, ka 2,5 mm siena ne tikai sākas ar vairāk metāla, bet arī darbojas ilgāku laiku, pirms ieiet šajā paātrinājuma režīmā.

Kristāla trieciena enerģija un sienas biezuma mehāniskā loma

Abrazīvie kristāli neapstrādātā fosforskābes suspensijā ne tikai slīd pa virsmu; tie iedarbojas dažādos leņķos atkarībā no plūsmas modeļa ap sildītāju. Cilindriskai sildītāja caurulei šķērsplūsmā -suspensijas daļiņas iedarbojas uz priekšējo malu gandrīz -normālos leņķos (liela trieciena enerģija, maksimāla erozija) un sāniem skatiena leņķos (zemāka erozija). Kalcija sulfāta kristāla, kas pārvietojas ar ātrumu 1,5 m/s, trieciena enerģija ir aptuveni 0,5-2 mikrodžouli atkarībā no daļiņu izmēra. Šī enerģija ir pietiekama, lai izraisītu mikroplastmasas deformāciju uz 316 nerūsējošā tērauda virsmas. Plastiski deformētā slāņa dziļums no katra trieciena parasti ir 1-5 mikroni. Miljoniem triecienu laikā materiāla kumulatīvā noņemšana notiek ar noguruma mehānismu: atkārtoti triecieni izraisa darba sacietēšanu, pēc tam plaisu sākšanos, pēc tam nelielu metāla fragmentu atdalīšanu. Materiāla noņemšanas ātrums ir apgriezti proporcionāls metāla cietībai, kā arī ir atkarīgs no pamatā esošā beztaras materiāla spējas absorbēt trieciena enerģiju bez plaisāšanas. Biezāka siena nodrošina lielāku elastīgu pamatu zem trieciena virsmas. 316 nerūsējošā tērauda elastības modulis ir 193 GPa, un caurules sienas stingrība lieces laikā ir proporcionāla biezuma kubam noteiktam ārējam diametram. 2,5 mm sienai ir aptuveni 4,6 reizes lielāka lieces stingrība nekā 1,5 mm sienai (2,5³ dalīts ar 1,5³ ir vienāds ar 4,6). Šī augstākā stingrība samazina dinamisko novirzi pēc daļiņu trieciena, samazinot maksimālo kontakta spriegumu un samazinot erozijas ātrumu. Fosfora augu sildītājiem veiktie lauka mērījumi liecina, ka 2,5 mm sieniņu cauruļu priekšējās malas erozijas ātrums identiskos vircas apstākļos parasti ir par 20–30% zemāks nekā 1,5 mm sieniņu caurulēm, tikai stinguma efekta dēļ.

Biezākas sienas termiskās veiktspējas sods piesārņojuma gadījumā

Fosforskābes neapstrādāta virca ir bēdīgi slavena ar piesārņojumu. Kalcija sulfāta kristāliem ir tendence nogulsnēties uz sakarsētām virsmām, veidojot skalu, kas izolē cauruli un samazina siltuma pārnesi. Katlakmens veidošanās ātrums ir atkarīgs no virsmas temperatūras attiecībā pret kalcija sulfāta šķīdības līkni. Ja apvalka temperatūra pārsniedz 90-95 grādus, kalcija sulfāta hemihidrāta šķīdība samazinās, un nokrišņi paātrinās. 1,5 mm sienas sildītājam, kas darbojas 80 grādu lielapjoma skābē ar vatu blīvumu 6 W/cm², apvalka virsmas temperatūra ir aptuveni 95-100 grādi tieši pie paātrinātas mērogošanas sliekšņa. 2,5 mm sienai ar tādu pašu vatu blīvumu apvalka temperatūra paaugstinās līdz 110-120 grādiem, labi iekļaujoties mērogošanas režīmā. Uz 2,5 mm sienas caurules katlakmens uzkrāšanās būs ievērojami ātrāka un biezāka nekā uz 1,5 mm caurules. Kad veidojas katlakmens slānis, tas pievieno savu termisko pretestību, liekot apvalka temperatūrai vēl augstāku pašpastiprinošā cilpa. 2,5 mm sienai ar 0,5 mm kalcija sulfāta skalu ir efektīva termiskā pretestība, kas ir līdzvērtīga 4,0 mm sienai. Šī skala ne tikai samazina siltuma pārnesi, bet arī rada plaisas zem tā, kur skābes ķīmija kļūst lokāli koncentrēta, paātrinot koroziju. Tāpēc ilgtermiņa veiktspējas atšķirība starp diviem biezumiem ir ļoti atkarīga no tā, vai mērogu var kontrolēt. Iekārtās, kurās tiek izmantota mehāniskā tīrīšana (skrāpji vai skrāpji) vai ķīmiska atkaļķošana, 2,5 mm siena var sasniegt ilgāku erozijas-korozijas kalpošanas laiku. Iekārtās, kur ļauts uzkrāties katlakmens, 1,5 mm siena faktiski var darboties labāk, jo tās zemākā virsmas temperatūra aizkavē katlakmens veidošanos, un, kad veidojas nogulsnes, plānāka pamatnes siena uztur lielāku siltuma plūsmu caur kombinēto sienu un katlakmens slāni.

Termiskā riteņbraukšana un diferenciālās izplešanās spriegumi

Fosforskābes koncentratori darbojas sērijveida ciklos vai ar periodisku padevi, liekot sildītājam piedzīvot termiskos ciklus no apkārtējās vides līdz 80 grādiem un atpakaļ. Katrs termiskais cikls rada atšķirīgus izplešanās spriegumus starp pretestības stiepli, magnija oksīda izolāciju un nerūsējošā tērauda apvalku. Šo spriegumu lielums ir proporcionāls apvalka biezumam, jo ​​biezāka daļa nodrošina lielāku izturību pret termisko izplešanos un kontrakciju. Temperatūras maiņai par 80 grādiem 316 nerūsējošā tērauda brīvā izplešanās ir aptuveni 0,1% (koeficients 16 x 10⁻⁶ / grāds reizināts 80 grādi ir vienāds ar 0,00128). 12 mm ārējā diametra caurulei šis izplešanās ir 0,015 mm. 1,5 mm siena elastīgās deformācijas dēļ var vieglāk uzņemt šo izplešanos nekā 2,5 mm siena. Tūkstošiem ciklu biezāka siena saskarē starp apvalku un magnija oksīda izolāciju saskaras ar lielāku ciklisko spriegumu. Tas var izraisīt izolācijas plaisāšanu, kas samazina dielektrisko izturību un galu galā izraisa elektrības traucējumus. Ilgtermiņa -fosfora ražotņu veiktspējas dati liecina, ka 2,5 mm sienas sildītājiem pēc 3-5 gadu ekspluatācijas ir lielāks elektrisko bojājumu (izolācijas pārrāvuma) līmenis nekā 1,5 mm sienas sildītājiem, pat ja 2,5 mm sienā joprojām ir pietiekams metāla biezums. Biezāka siena maina korozijas un erozijas kalpošanas laiku pret termisko nogurumu.

Ilgtermiņa{0}}veiktspējas salīdzinājuma kopsavilkums

Praktiskas kalpošanas laika pagarināšanas stratēģijas ārpus biezuma izvēles

Neviens apvalka biezums vien neatrisina fosforskābes vircas problēmu. Trīs papildu stratēģijas ir izrādījušās efektīvas, lai pagarinātu sildītāja kalpošanas laiku, pārsniedzot prognozes, pamatojoties tikai uz biezumu. Pirmkārt, plūsmas pārvaldība: sildītāja cauruļu orientēšana paralēli vircas plūsmai, nevis perpendikulāri, samazina trieciena leņķus un samazina erozijas ātrumu par 40-60%. Otrkārt, virsmas sacietēšana: 316 nerūsējošā tērauda virsmas nitrēšana vai boronizācija palielina virsmas cietību no 200 HV līdz 800{16}}1000 HV, ievērojami samazinot erozijas ātrumu, nepalielinot termisko pretestību. Ar virsmu rūdīta 1,5 mm caurule var izturēt divas reizes ilgāk par neapstrādātu 2,5 mm cauruli. Treškārt, katlakmens kontrole: uzturot skābes temperatūru zem 75 grādiem vai pievienojot katlakmens inhibitorus, piemēram, poliakrilātus, apvalka virsma ir zem kalcija sulfāta nogulsnēšanās sliekšņa, ļaujot izmantot plānākas, termiski efektīvākas sienas. Dažas rūpnīcas ir veiksmīgi izmantojušas 1,2 mm sienas sildītājus ar virsmas sacietēšanu un katlakmens kavēšanu piecus gadus vai ilgāk, pārspējot neapstrādātos 2,5 mm sildītājus, kas neizdevās no katlakmens izraisītas pārkaršanas.

Secinājums: veiktspējas atšķirība, ko attaisno ekspluatācijas apstākļi

Ilgtermiņa veiktspējas atšķirība starp 1,5 mm un 2,5 mm apvalka biezumu 316 nerūsējošā tērauda sildītājiem 10% fosforskābes neapstrādātā suspensijā 80 grādu temperatūrā nav vienkārša priekšrocība biezākai sienai. 2,5 mm siena nodrošina 1,5-2,0 reizes ilgāku erozijas-korozijas kalpošanas laiku nepārtrauktā, zemā{13}}mērogošanas režīmā, taču tā cieš no augstākas virsmas temperatūras, kas paātrina katlakmens veidošanos, un no mazāka termiskā noguruma. 1,5 mm siena nodrošina labāku siltuma veiktspēju, mazāku zvīņošanās tendenci un ilgāku termiskā noguruma kalpošanas laiku, taču tai ir mazāka metāla rezerve erozijas{18}}korozijai. Lielākajai daļai fosforskābes ražotņu optimālais biezums atrodas starp šīm galējībām aptuveni 1,8-2,0 mm kopā ar virsmas sacietēšanas un katlakmens kontroles pasākumiem. Ja ir spiests izvēlēties starp diviem, iekārtai ar labu mēroga kontroli un nepārtrauktu darbību ir jāizvēlas 2,5 mm siena, lai maksimāli palielinātu erozijas-korozijas kalpošanas laiku. Iekārtai ar sērijveida darbību, biežu termisko ciklu vai ierobežotu atkaļķošanas iespēju jāizvēlas 1,5 mm siena, lai izvairītos no katlakmens veidošanās un termiskā noguruma kļūmēm. Specifikācijās vienmēr jāiekļauj virsmas apstrādes prasības un plūsmas orientācijas detaļas, pārvēršot vienkāršu biezuma izvēli par visaptverošu vircas apstrādes sildītāja dizainu.