摂氏 130 度で凝縮水が戻る低圧蒸気加熱用途における 316 ステンレス鋼シースの壁の最大許容厚さはどれくらいですか?{1}

スチーム ジャケット、加湿チャンバー、滅菌装置などの低圧蒸気システム用の電気浸漬ヒーターを構築するプロセス エンジニアは、戻り凝縮水の存在による独特の制約に直面しています。{0}純水や乾燥蒸気の用途とは異なり、凝縮水戻りシステムには、液体の水、溶存酸素、および通常は溶存二酸化炭素からの微量の炭酸の混合物が含まれます。環境は 316 ステンレス鋼に対して多少腐食性があり、特に水蒸気界面では酸素濃度勾配が局所的な腐食を引き起こします。腐食代は 316 シースの壁の厚さによって決まりますが、より重要なことには蒸気の飽和温度と比較した表面温度によって決まります。シース表面温度が低すぎると、凝縮水コーティングの形成と腐食が促進されますが、高すぎるとスケールと熱応力が増加します。この記事では、腐食速度と熱伝達の最適化に基づいて、凝縮水戻り蒸気サービスにおける 316 シースに許容される最大肉厚を定義します。

蒸気凝縮水の戻りにおける腐食メカニズム
130 度の低圧蒸気の飽和圧力は絶対圧力約 2.7 bar です。蒸気が飽和温度以下で表面に接触すると、液体コーティングの形で凝縮物が生成されます。この凝縮水は蒸気や漏洩空気から酸素と二酸化炭素を捕捉し、-pH 4.5 ～ 6.0. 316 の適度な酸性溶液を形成します。この環境では、ステンレス鋼は酸素含有量と凝縮水の再生速度に応じて、一般に 0.02 ～ 0.08 mm/ 年の腐食速度を示します。さらに重要なのは、シースが凝縮水層を貫通する喫水線で局所的な攻撃{10}}孔食と隙間腐食{11}}が発生することです。酸素濃淡セルが形成されると、喫水線付近の腐食速度が完全に浸漬された速度よりも 2 ～ 5 倍高くなる可能性があります。設計寿命が 5 年のヒーターの場合、- の一般腐食には 0.2 ～ 0.4 mm の腐食代が必要です。+ 0.3 ～ 水線の攻撃には 0.6 mm が必要です。 1.0 mm のシースでは十分なマージンが得られず、2 ～ 3 年で穿孔してしまいます。 1.6 mm のシースにより、5 年間の耐用年数に対して十分な余裕が得られます。ただし、壁が厚くなると、所定のワット密度でシースの表面温度が高くなる可能性があり、凝縮挙動に影響を与える可能性があります。

凝縮水膜の形成と腐食に対する壁厚の影響
130 度の蒸気中で動作するヒーターの場合、凝縮水膜の形成を避けるために、シース表面温度は飽和温度よりも高くなければなりません。シース上に液体の水がない乾燥蒸気条件は、表面温度が飽和温度より 5-10 度高い場合に得られます. 316。乾燥蒸気での腐食速度は穏やかで、年間 0.01 mm 未満です。上記の腐食速度は、飽和表面温度以下での連続凝縮膜に対するものです。シース表面温度は、バルク蒸気温度にシース壁を通る熱流束による温度上昇を加えたものとして計算されます。壁が厚くなると導電抵抗が増加するため、所定のワット密度に対する表面温度が上昇します。実際、厚い壁のシースは表面を乾燥した状態に保つことで腐食を防ぐことができます。壁が狭いシースは温度が低くなり、凝縮水の攻撃を促進する可能性があります。 130 度の蒸気で 8 W/cm² のヒーターを考えてみましょう。壁厚 1.0 mm の 316 シースの外表面温度は約 133 度で、飽和温度をわずか 3 度上回るだけです。限界環境では、断続的に凝縮水が発生する可能性があります。 1.6 mm 壁シースの外表面温度は飽和温度より約 138 度 - 8 度高いため、乾燥動作に対する安全マージンがあります。腐食を最小限に抑えるのは材料の追加ではなく、厚い壁によって表面状態が湿潤状態から乾燥状態に変化することです。これは蒸気システム設計にとって重要な教訓です。凝縮した状況でも壁が大きいほど耐食性に優れている可能性があります。

蒸気サービスの復水戻りに推奨される壁の厚さ
次の表に、凝縮水を戻す低圧蒸気サービスにおける電気浸漬ヒーターの許容可能なシース壁厚を示します。値は、連続運転、産業用ボイラー システムに典型的な蒸気品質、および 5 年の予測耐用年数を考慮して計算されています。

蒸気温度 動作ワット密度 推奨最小 316 壁厚 推奨最大 316 壁厚 最大厚さでのシース表面温度 予想される腐食速度 主な故障モード 110 度 (1.4 bar) 6 – 10 W/cm² 1.2 mm 2.0 mm 115 – 122 度 0.05 – 0.10 mm/年 凝縮水膜腐食 120 度(2.0 bar) 6 – 10 W/cm² 1.2 mm 2.0 mm 125 – 132 度 0.03 – 0.08 mm/年 移行湿潤/乾燥 130 度 (2.7 bar) 6 – 10 W/cm² 1.4 mm 2.5 mm 135 – 145 度 0.02 mm 未満 / 年 (乾燥) 熱サイクル
任意の温度、断続的な結露 4 – 8 W/cm² 1.6 mm 2.5 mm 可変 0.08 – 0.15 mm/年 (湿潤サイクル) 水線の孔食
蒸気温度が 140 度を超えると、厚い壁ではシースの表面温度が 160 度を超える可能性があり、水中に溶解粒子が存在すると局所的な沸騰やスケールの発生が発生する可能性があります。このような場合、指定された範囲内の下端の壁厚が得られることが望ましい-。蒸気温度が 120 度未満の場合、飽和温度が低く、熱流束による温度上昇が制限されるため、実用的な壁厚で乾燥シース状態を確立することは困難です。低温蒸気サービスでは、技術者は凝縮水の膜が存在することを受け入れ、そのため乾式運転ではなく腐食代に基づいて壁厚を指定する必要があります。

薄壁でドライシース動作を実現するための設計変更
蒸気サービスで 1.2 mm 未満の薄肉 316 シースが必要な場合（通常、低圧システムでの高速熱応答のため）、3 つの設計変更により、温度上昇が低くても乾式運転が可能になる可能性があります。- 1つはワット密度を高めることです。ワット密度が 5 W/cm2 から 10 W/cm2 に増加すると、シースの表面温度が約 15 ～ 20 度上昇し、動作が湿式から乾式に変わる可能性があります。その代償として、蒸気の流れが停止すると局所的な過熱のリスクが高くなります。- 2 番目の調整は、より高いピーク温度で断続モードでヒーターを動作させることです。 130 度から 180 度の間でサイクルするヒーターは、ほとんどの時間を飽和温度以上で過ごしますが、始動時に凝縮水と接触するのはほんの短期間です。ヒーターが数分以内に乾燥状態になれば、始動時の腐食による損傷は限定されます。最後の変更は、ヒーターの周囲に液体の水が形成されるのを防ぐための凝縮水排出口の設置です。凝縮液が滞留していないと、たとえ表面が薄い膜で湿っていたとしても、腐食速度は大幅に減少します。ほとんどの工業用蒸気システムでは、腐食代、乾燥運転マージン、機械的強度のバランスとして、壁厚 1.6 mm が適切な妥協点となります。エンジニアは、表面温度に必要なマージン（多くの場合飽和温度より 5 ～ 10 度高い）を提供し、このマージンを提供する壁の厚さとワット密度の組み合わせを決定するようメーカーに依頼する必要があります。この見積もりを行うことができないサプライヤーは、蒸気凝縮水サービスの特別なニーズを理解していない可能性があります。