Care este grosimea verificată a mantalei pentru încălzitoarele din oțel inoxidabil 316 în soluție de azotat de amoniu 25% la 110 grade, cu o presiune de 3 bar și fără cloruri

Serviciul de îngrășăminte oxidante: comerțul fundamental-dezactivat

O soluție de azotat de amoniu (NH₄NO₃) 25% este un intermediar comun în fabricarea îngrășămintelor și ca fluid de transfer termic în unele operațiuni industriale. Atmosfera este foarte oxidantă la 110°C și o presiune de 3 bari din cauza prezenței ionului de nitrat care este un inhibitor catodic și de fapt pasivează oțelul inoxidabil 316. Sâmburele este principala îngrijorare atunci când sunt utilizate soluții care conțin clorură. În cazul azotatului de amoniu, două mecanisme diferite de defecțiune trebuie să fie conștiente: fisurarea prin coroziune sub tensiune în soluții concentrate de nitrat și coroziunea generală dacă pH-ul se deplasează în afara intervalului stabil. Fără cloruri decizia grosimii este mult mai ușoară. Pentru această funcție, grosimea tecii verificată este guvernată de integritatea mecanică, toleranța uniformă la coroziune și rezistența la fisurare indusă de nitrați-. Eficiența termică este un aspect minor, dar important.

Comportament electrochimic în soluții de NO3

Ionul de azotat este un agent oxidant foarte puternic și protejează filmul pasiv de pe oțel inoxidabil 316 într-o gamă largă de temperaturi și concentrații. Potențialul de coroziune în azotat de amoniu 25% la 110°C este în medie între +200 și +400 mV față de un electrod de referință de argint-clorură de argint și este bine în regiunea pasivă. Rata uniformă de coroziune în astfel de medii este foarte scăzută, de ordinul a 0,002-0,008 mm pe an pe baza studiilor de scădere în greutate a echipamentelor utilizate în afacerea cu îngrășăminte. Aportul de coroziune uniform pentru zece ani este de 0,02-0,08 mm pentru încălzitorul de perete de 1,2 mm, iar metalul sonor este mai mare de 1,1 mm. În această aplicație, grosimea nu este determinată de coroziune uniformă. Filmul pasiv este stabil dacă pH-ul soluției este între 4 și 9. Ionul de amoniu este un acid slab, prin urmare soluțiile de azotat de amoniu au în mod natural un pH în intervalul 5-6, care este un interval stabil de pH. Viteza de coroziune poate fi crescută dacă soluția este contaminată cu acid (din cauza tulburărilor procesului din amonte) sau alcalin (din agenți de curățare). Cu toate acestea, astfel de supărări sunt de obicei pe termen scurt și nu necesită o cantitate mare de coroziune.

Risc de fisurare prin coroziune sub tensiune cu nitrați

Fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC) este principala preocupare pentru oțelul inoxidabil 316 în soluții fierbinți de azotat de amoniu. Nitrate SCC este larg stabilit pentru oțelurile inoxidabile austenitice și susceptibilitatea crește odată cu temperatura și concentrația de nitrați. La 110°C și 25% azotat de amoniu, riscul de SCC este moderat, dar deloc neglijabil. Factorii cruciali pentru initierea SCC sunt tensiunile de tractiune (de la fabricatie sau presiune) si existenta unei acoperiri concentrate de nitrat la suprafata. SCC de nitrat se poate dezvolta într-un interval larg de potențial, în timp ce SCC de clorură apare la potențiale specifice. Viteza de propagare a fisurii SCC azotatului în oțel inoxidabil 316 la 110°C este în general de 0,05-0,2 mm/an după inițiere. Preocuparea fundamentală pentru o manta de încălzire este tensiunile de tracțiune reziduale de la tracțiunea și îndoirea tubului. În general, cu cât grosimea peretelui este mai mică, cu atât tensiunile reziduale sunt mai mici, deoarece este necesară mai puțină muncă la rece pentru a atinge dimensiunea finală. Un tub trasat de 1,2 mm conține de obicei tensiuni reziduale de cerc de 50-100 MPa, în timp ce un tub de 2,0 mm poate avea 80-150 MPa. Peretele mai gros are stres rezidual mai mare, ceea ce crește probabilitatea inițierii SCC. Experiența reală pe teren cu evaporatoarele cu azotat de amoniu a arătat că încălzitoarele cu pereți subțiri (1,2-1,5 mm) 316 din oțel inoxidabil durează mai mult decât încălzitoarele cu pereți groși (2,0-2,5 mm) în mod constant. Analiza defecțiunilor a arătat că defecțiunile pereților groși sunt cauzate de SCC, în timp ce pereții subțiri se defectează din alte cauze, non-corozive, după service prelungit.

Limitarea presiunii - 3 bar

La o presiune a sistemului de 3 bar, solicitarea de stres al cercului este destul de mică. Pentru un tub cu OD=12 mm și perete=1.2 mm, tensiunea cercului este de 0,3 MPa x 4,8 mm / 1,2 mm=1.2 MPa. Pentru un perete care are 2,0 mm, tensiunea este de 0,3 MPa x 4,0 mm/2,0 mm=0.6 MPa. Ambele sunt mici în comparație cu limita de curgere de 170 MPa. Grosimea rezervorului de presiune nu trebuie să fie specială. Însă încălzitorul trebuie să fie suficient de robust din punct de vedere mecanic pentru a rezista cuplului de instalare la racordurile filetate. Pentru o cuplare fiabilă, aveți nevoie de o grosime minimă de cuplare a filetului de 1,0-1,2 mm. Sub 1,0 mm, riscul de dezlipire sau deformare a firului crește substanțial, în special la încălzitoarele cu diametru mai mare.

Nevoile de încălzire a procesului și eficiența termică

Conductivitatea termică a soluțiilor de azotat de amoniu este comparabilă cu cea a apei, adică . 0.60-0.65 W/m K la 110°C. Coeficientul de transfer de căldură convectiv pentru fluxul turbulent este de 1000-2000 W/m²·K, în funcție de viteză. Rezistența termică a mantalei este de aproximativ 0,0004 m²·K/W pentru o grosime de perete de 1,2 mm și 0,0007 m²·K/W pentru o grosime de perete de 2,0 mm. Această diferență corespunde unei diferențe de temperatură a mantalei de 3-4°C la o densitate în wați de 10 W/cm² (obișnuită pentru încălzitoarele cu circulație). Pentru un proces susceptibil la supraîncălzire localizată, este esențial să se mențină temperatura învelișului cât mai scăzută posibil. Nitratul de amoniu se poate degrada exotermic peste 180°C. Un perete de 1,2 mm încălzește o soluție în vrac de 110°C la 10 W/cm² până la aproximativ 125-130°C la suprafața învelișului. Un perete de 2,0 mm este în funcțiune la 128-134 de grade. Temperatura de descompunere a azotatului de amoniu este de aproximativ 200 de grade. Ambele sunt totuși mult mai mici, iar diferența termică nu este semnificativă pentru siguranță. Cu toate acestea, peretele mai subțire este puțin mai bun pentru eficiența energetică.

Orientări de grosime confirmate din experiența industriei

Sectorul îngrășămintelor are o mare experiență operațională cu echipamente din oțel inoxidabil 316 în serviciul cu azotat de amoniu. Încălzitoarele cu imersie și circulație au un interval dovedit de grosime a mantalei de 1,2-1,6 mm pentru fiabilitate pe termen lung. Utilizarea pereților mai subțiri sub 1,0 mm este împiedicată de problemele mecanice de manipulare. Pereții mai groși de peste 1,8 mm sunt, de asemenea, evitați, deoarece demonstrează o tensiune reziduală mai mare și o probabilitate mai mare de defecțiune a SCC. În intervalul dovedit, 1,4-1,5 mm este considerat cel mai bun compromis, suficient de gros pentru rezistența mecanică și o toleranță moderată la coroziune, dar suficient de subțire pentru a minimiza stresul rezidual și riscul de SCC. Pentru o durată de viață de 10 ani în nitrat de amoniu 25% la 110°C și o presiune de 3 bar fără cloruri, o grosime a peretelui de 1,4 mm este complet adecvată. Unitățile cu standarde bune de manipulare pot utiliza, de asemenea, un perete de 1,2 mm. Peretele de 1,6 mm oferă o marjă mecanică suplimentară, dar fără coroziune sau avantaj SCC față de 1,4 mm.

Pereți mai groși, care sunt de fapt mai răi

Pereții mai groși nu sunt necesari în serviciul cu azotat de amoniu și pot fi periculoși. Tensiunile reziduale crescute care rezultă din fabricarea tuburilor mai groase măresc forța motrice pentru pornirea SCC. Când se dezvoltă o fisură, peretele mai gros are mai mult material de fracturat, dar rata de creștere a fisurii este independentă de grosime. Un perete de 2,0 mm cu o creștere a fisurilor de 0,1 mm/an va dura 20 de ani pentru a perfora, un perete de 1,2 mm va dura 12 ani. Dar peretele mai gros are un risc mai mare de a începe fisura. Datele de teren de la fabricile de azotat de amoniu indică faptul că încălzitoarele cu pereți de 2,0-2,5 mm eșuează de la SCC în 3-6 ani, în timp ce încălzitoarele cu pereți de 1,2-1,5 mm din aceeași fabrică funcționează timp de 8-12 ani și deseori eșuează din cauza degradarii izolației electrice, mai degrabă decât prin perforarea tecii. Rezultatul dovedit este că pereții mai subțiri sunt superiori în situații de SCC cu nitrați din cauza tensiunilor reziduale reduse.

Comparație între opțiunile verificate de grosime

Tensiunea reziduală a inelului Probabilitatea inițierii SCC Grosimea tecii Permis uniform de coroziune (10 ani) Robustitate mecanică Durată de viață dovedită în câmp
1,0 mm 40-80 MPa Scăzut 0,02-0,08 mm Marginal 8-10 ani (în funcție de manipulare)
1,2 mm 50-90 MPa Scăzut 0,02-0,08 mm Adecvat 10-12 ani
1,4 mm 60-100 Mpa Scăzut-Moderat 0,02-0,08 mm Bine 10-12 ani (mai bine)
1,6 mm 70-110 MPa Mediu 0,02-0,08 mm8-10 ani Foarte bine
2,0 mm 90-140 MPaModerat-Ridicat 0,02-0,08 mm Excelent 5-7 ani (limitat SCC)
2,5 mm 110-160 MPa Înalt 0,02-0,08 mm Excelent 3-5 ani (limitat SCC)
Concluzie: Grosimea confirmată pentru fiabilitatea pe termen lung

Încălzitoare din oțel inoxidabil 316 în soluție de azotat de amoniu 25% la 110°C cu o presiune de 3 bar fără cloruri, intervalul dovedit de grosime a mantalei este între 1,2-1,6 mm, 1,4-1,5 mm fiind adecvat pentru majoritatea instalațiilor. Din punct de vedere al coroziunii, pereții mai subțiri sub 1,2 mm sunt acceptabili, dar sunt expuși pericolului de deteriorare mecanică în timpul instalării și curățării. Pereții mai groși de peste 1,6 mm conțin tensiuni reziduale mai mari care cresc pericolul de fisurare prin coroziune prin tensiuni de nitrați și, prin urmare, au durate de viață mai mici, chiar și cu cantitatea mai mare de metal. Acest lucru este contrar presupunerii generale de inginerie conform căreia în acest mediu mai gros este întotdeauna mai bine pentru rezistența la coroziune. Acest lucru se datorează faptului că mecanismul de eroare majoră (SCC) este condus de stresul rezidual, care crește odată cu grosimea. Inginerii care selectează un încălzitor pentru sarcina cu nitrat de amoniu ar trebui să specifice o solicitare reziduală maximă admisă (de obicei 100 MPa) mai degrabă decât o grosime minimă. Acest lucru garantează că producătorul folosește tuburi recoapte corespunzător, cu efort rezidual scăzut, care este mai semnificativ decât grosimea absolută a peretelui. Majoritatea aplicațiilor pot fi specificate cu 1,4-1,5 mm în stare de recoacere în soluție pentru a oferi combinația confirmată de robustețe mecanică, rezistență SCC și eficiență termică pentru o durată de viață de zece ani.