砥粒結晶を含む 80 度の 10% リン酸粗スラリー中での 316 ステンレス鋼ヒーターのシース厚さ 1.5 mm と 2.5 mm の長期性能の違いは何ですか?{0}}

リン酸生産サービスにおける基本的なトレードオフ-

湿式-プロセスのリン酸製造では、硫酸カルシウムの半水和物または二水和物の結晶、未反応のリン酸塩岩石粒子およびさまざまな金属汚染物質の混合物中に 10% のリン酸の粗スラリーが生成されます。これは、弱酸性媒体 (pH 1-2) と 316 ステンレス鋼の不動態コーティングを侵食する固体粒子の組み合わせのため、非常に攻撃的な環境です。リン酸濃縮装置および攻撃タンク内の電気浸漬ヒーターは、化学的腐食と機械的摩耗の組み合わせにさらされます。シースの厚さ 1.5 mm と 2.5 mm の決定は、長期的な性能計算であり、より厚い壁の追加金属は、より大きな断面積で動作することによる熱的および機械的影響とのバランスをとる必要があります-。唯一の懸念が腐食であるクリーンな液体サービスとは異なり、このアプリケーションでは、複数年にわたるキャンペーンにわたって 2 つの相互作用する劣化メカニズムを監視する必要があります。

侵食-腐食の相乗効果の厚さ依存性

80 度の清浄なリン酸中での 316 ステンレス鋼の均一な腐食速度は、粗酸中のフッ化物および塩化物不純物の量に応じて、約 0.1-0.3 mm/年です。通常サイズが 10{9}}10​​0 ミクロン、モース硬度が 2.5-3.0 の研磨結晶（硫酸カルシウム半水和物結晶）を追加すると、劣化メカニズムが純粋な腐食から浸食-腐食に切り替わります。保護不動態コーティングは、衝突する粒子によって継続的に除去され、新しい金属が酸にさらされます。侵食-腐食速度は、純粋な侵食速度と純粋な腐食速度の単なる合計ではありません。その代わりに、相乗効果が起こり、継続的に不動態化された金属の腐食速度は、安定した不動態表面の腐食速度よりも実質的に大きくなります。 5-10% 粒子を含む 10% リン酸中で 80 度、スラリー速度 1.5 m/s での 316 ステンレス鋼の公表された結果では、年間 0.6 ～ 1.2 mm の浸食 - 腐食速度が示されており、これは純粋な腐食速度の 3 ～ 6 倍です。連続的なエロージョン・コロージョンの下で穴が開くまでの計算時間は、壁厚 1.5 mm の場合 1.3 ～ 2.5 年です。 2.5 mm 壁の場合、計算にかかる時間は 2.1 ～ 4.2 年です。ただし、これらの計算は一定のエロージョンコロージョン速度を前提としています。実際には、壁が薄くなるにつれて、表面の局所的な応力分布が変化し、侵食速度が増加する可能性があります。これは、壁が薄くなることで粒子接触時のたわみが大きくなり、局所的な応力が大きくなり、表面がより容易に破壊されるためです。リン酸プラントの長期性能統計によると、壁の厚さが 1.0 mm 未満の場合、エロージョン・コロージョン速度は一般に 20 ～ 40% 増加します。したがって、2.5 mm の壁はより多くの金属で始まり、この加速領域に入るまでに時間がかかります。

壁の厚さと結晶衝撃エネルギーの力学的役割

粗リン酸スラリー中の砥粒結晶は表面上を単に滑るのではなく、ヒーター周りの流れパターンに応じてさまざまな角度から表面に衝突します。 - クロスフローでは、スラリー中の粒子は、ほぼ垂直の角度 (高い衝撃エネルギー、最大の浸食) で円筒状加熱管の先端に衝突し、視角 (低い浸食) で側面に衝突します。 1.5 m/s で移動する硫酸カルシウム結晶の衝撃エネルギーは、粒子サイズに応じて 0.5 ～ 2 マイクロジュールです。このエネルギーは、316 ステンレス鋼の表面に微小な塑性変形を引き起こすのに十分です。-各打撃による塑性的に歪んだ層の深さは、通常 1 ～ 5 ミクロンです。材料の完全な除去は、多数の衝撃を伴う疲労プロセスによって達成されます。衝撃が繰り返されると、加工硬化、破壊の開始、そして最終的に小さな金属片の分離が生じます。材料の除去速度は金属の硬度に反比例し、また、下にあるバルク材料が粉砕することなく衝撃エネルギーを吸収する能力にも依存します。壁が厚くなると、衝撃を受ける表面の下の弾性基盤が大きくなります。 316 ステンレス鋼の場合、弾性率は 193 GPa で、曲げ時のチューブ壁の剛性は、所定の外径の厚さの 3 乗に比例します。壁厚 2.5 mm の曲げ剛性は、壁厚 1.5 mm の約 4.6 倍です (2.5 3/1.5 3=4.6)。剛性の増加により、粒子の衝突時の動的たわみが減少し、それによってピーク接触応力と浸食速度が減少します。リン酸プラントヒーターの現場観察によると、同じスラリー条件下では、単に剛性の影響により、前縁の壁厚 2.5 mm のチューブの浸食速度は壁 1.5 mm のチューブよりも 20 ～ 30% 低いことが示されています。

ファウリングサービスにおける厚い壁による熱性能の低下

リン酸粗スラリーは汚染することがよく知られています。硫酸カルシウムの結晶は高温の表面に蓄積する傾向があります。これによりスケールが形成され、チューブが絶縁され、熱伝達が制限されます。スケールの発生速度は、硫酸カルシウムの溶解度曲線に対する表面温度に依存します。シース温度が90-95度を超えると、硫酸カルシウム半水和物の溶解度が低下し、その沈殿が促進されます。 80 度のバルク酸中でワット密度 6 W/cm2 の 1.5 mm 壁面ヒーターのシース表面温度は、加速スケーリングのしきい値である約 95-10​​0 度です。同じワット密度では、壁厚 2.5 mm のシース温度は 110-120C となり、スケーリング範囲内に十分入ります。壁厚 2.5 mm のチューブでは、1.5 mm のチューブよりもスケールが速く、より厚く形成されます。-スケール層が配置されると、それ自体の熱抵抗が追加され、自己強化サイクルでシースの温度がさらに上昇します。- 0.5 mm の硫酸カルシウム スケールを含む 2.5 mm の壁の実効熱抵抗に相当する 4.0 mm の壁の厚さ。このスケールは熱輸送を阻害するだけでなく、バ​​ルク酸化学反応下で亀裂を生成し、それが局所的に集中して腐食を促進します。したがって、2 つの厚さの長期的な性能の違いは、スケールを調整できるかどうかに大きく依存します。 2.5 mm の壁は、機械的洗浄 (スピナーまたはスクレーパー) または化学的スケール除去を使用して、プラント内で長期間のエロージョン・コロージョン寿命を達成できます。スケールが溜まる可能性があるプラントでは、1.5 mm の壁の方が実際に優れた性能を発揮する可能性があります。表面温度が低いとスケールの形成が遅れ、スケールが形成されると、より薄いベース壁が壁とスケールの結合層を通る高い熱流束を維持します。

熱サイクルと膨張差応力

リン酸濃縮装置はバッチサイクルまたは断続的な供給で稼働し、ヒーターは周囲温度から 80 度まで熱サイクルを繰り返し、またその逆に戻ります。各加熱サイクルにより、抵抗線、酸化マグネシウム絶縁体、およびステンレス鋼シースの間に膨張張力の差が生じます。セクションが厚いほど熱膨張および熱収縮に対する抵抗が大きくなるため、これらの応力の振幅はシースの厚さに比例します。 80 度の温度変化に対する 316 ステンレス鋼の膨張係数は約 0.1% (16 × 10-6/ 度 x 80 度=0.00128) です。外径 12 mm のチューブの場合、この膨張は 0.015 mm です。 1.5 mm の壁は、2.5 mm の壁よりも弾性変形による拡張に容易に対処できます。厚い壁は、シースと酸化マグネシウム絶縁体の接触部分で、数千回のサイクルにわたってより大きな繰り返し圧力にさらされます。これにより絶縁体に亀裂が生じ、絶縁耐力が低下し、最終的には電気的故障につながる可能性があります。 -リン酸塩プラントの長期性能データによると、たとえ 2.5 mm の壁に適切な金属の厚さが残っていたとしても、3 ～ 5 年の使用後、2.5 mm の壁のヒーターは 1.5 mm の壁のヒーターよりも電気的故障 (絶縁破壊) の発生率が高くなります。壁が厚くなると、熱疲労寿命のために腐食・浸食寿命が犠牲になります。

長期パフォーマンス比較の要約-

パフォーマンス メトリック 1.5mm シース 2.5mm シース
1.5 m/s スラリーでのエロージョン-腐食速度 0.6～1.2 mm/年 0.5～0.9 mm/年（剛性により 20～30% 低下）
穿孔までの時間（推定） 1.3～2.5年 2.8～5.0年
6 W/cm2 でのシース温度 95 ～ 100 度 110 ～ 120 度
スケーリング速度 (硫酸カルシウム) 中 (閾値領域) 高 (加速領域)
熱疲労寿命（絶縁破壊までのサイクル） 4000～7000サイクル 8000～12000サイクル
リン酸プラントで報告されている一般的な耐用年数は、2 ～ 4 年 (規模限定)、3 ～ 5 年 (熱疲労限定) です。
最適な用途スケール除去機能を備えたプラント、バッチ操作拡張の余地がほとんどない継続的なサービス
厚さの選択を超えた寿命延長のための実践的な戦略

シースの厚さだけではリン酸スラリーの問題を解決できません。 3 つの補完的なソリューションにより、ヒーターの寿命が厚さだけから予測されるものを超えて延長されることが実証されています. 1. 流れ管理: ヒーター チューブをスラリーの流れに対して垂直ではなく平行に配置すると、衝撃角と浸食率が 40-60% 減少します。第二に、表面硬化: 316 ステンレス鋼の表面を窒化またはホウ素化すると、硬度が 200 HV から 800 ～ 1000 HV に上昇し、熱抵抗を増加させることなく浸食速度が大幅に減少します。硬い表面を持つ 1.5 mm チューブは、硬い表面のない 2.5 mm チューブに比べて 2 倍の耐久性があります。第三に、バルクの酸温度を 75 度未満に維持するか、ポリアクリレートなどのスケール防止剤を使用するスケール管理により、シース表面が硫酸カルシウム沈殿閾値未満に保たれるため、より薄く、より熱効率の高い壁の使用が可能になります。一部のプラントでは、表面硬化とスケール抑制を備えた 1.2 mm 壁面ヒーターを 5 年以上問題なく使用していましたが、未処理の 2.5 mm 壁面ヒーターはスケールによる過熱により故障しました。

結論: 動作条件によって説明されるパフォーマンスの違い

80 度、10% リン酸粗スラリー中での 316 ステンレス鋼ヒーターの壁厚 1.5 mm と 2.5 mm の間の長期的な性能差は、壁が厚いことによる単純な利点ではありません。- 2.5- mm の壁は、継続的な低スケーリング使用で 1.5 ～ 2.0 倍のエロージョン-腐食寿命を実現します。-ただし、表面温度が高くなってスケーリング率が増加し、熱疲労寿命が低下するという問題があります。. 1.5 mm の壁は優れた熱性能を持ち、スケーリング傾向が軽減され、熱疲労寿命が長くなりますが、エロージョン-}腐食に対する金属の埋蔵量が少なくなります。ほとんどのリン酸プラントでは、表面硬化とスケール制御が適用された場合、最適な厚さはこれら 2 つの極端な値の間、約 1.8-2.0 mm になります。適切なスケール制御と連続運転を行うプラントが 2 つのどちらかを選択する必要がある場合は、エロージョン コロージョン寿命を最大化するために 2.5 mm の壁を選択する必要があります。バッチモードで稼働し、頻繁な熱サイクルやスケール除去能力が制限されているプラ​​ントの場合は、スケールや熱疲労による故障を避けるために 1.5 mm の壁厚を選択する必要があります。表面処理のニーズと流れの方向を仕様に明記し、単純な厚さの選択を本格的なスラリー処理ヒーターの設計に変える必要があります。