90度および低流量条件で、2000 ppmの塩化物を含む50%プロピレングリコール中の316ステンレス鋼フローヒーターの検証済みシースの厚さはどれくらいですか

グリコール阻害と塩化物汚染の基本的なトレードオフ-

プロピレングリコール (PG) は、エチレングリコールの毒性が許容できない食品加工、医薬品製造、醸造用途で選ばれる熱媒体です。 50% PG 水溶液は、約 -35 ℃ まで良好な凍結防止効果を発揮し、正しく調製された場合には腐食防止剤としても機能します。しかし、産業用 PG 回路では、残留洗浄剤、熱交換器を通した冷却塔の水の浸透、または普通の (軟化していない) 補給水の使用など、さまざまな原因から塩化物が回路に侵入する傾向があります。 PG は 2000 ppm の塩化物レベルで腐食保護を失います。これは、メンテナンスが不十分なシステムや海水漏れのあるシステムで通常観察されるレベルです。 90 度の動作温度と境界層のよどみが起こりやすい低流量環境では、316 ステンレス鋼は孔食や隙間腐食のかなりのリスクにさらされています。この用途では、シースの厚さは単純な腐食代の計算ではなく、選択した壁が塩化物の攻撃、高温、低流量による熱伝達の低下の複合的な攻撃に耐えられることを実証するための検証演習です。

プロピレングリコール溶液中の塩化物によって引き起こされる孔食のメカニズム

90 度の 50 % プロピレングリコール溶液中の 2000 ppm の塩化物は、316 ステンレス鋼の不動態皮膜にとって攻撃的な環境です。プロピレングリコール自体は弱い阻害作用を持っていますが、その阻害機構は金属表面へのグリコール分子の吸着に依存しています。 90 度では、熱運動により吸着層の効率が低下します。塩化物イオンは移動性が高く小さいため、表面の位置をめぐって競合し、不動態皮膜を突破した後に硫化物含有物や表面の傷などの弱い箇所に孔食を引き起こします。 2000 ppm の塩化物溶液中での 316 ステンレス鋼の臨界孔食温度は、水だけでは約 50 ～ 60 度です。抑制剤グリコールの存在により、50% プロピレングリコール中の臨界孔食温度は約 10 ～ 15 度上昇し、約 65 ～ 75 度になります。動作温度は 90 度であり、システムは臨界孔食温度を超えて動作するため、孔食の開始の問題は「場合」ではなく「いつ」になります。ピットが形成されると、その成長速度は、酸素の利用可能性と溶液の抵抗率に応じて、対数または線形の傾向によって予測できます。 90 度の塩化物で汚染されたグリコール中での 316 ステンレス鋼の公表された結果では、通気条件下でのピットの成長速度が 0.2 ～ 0.6 mm/年であることが明らかになりました。年間 0.4 mm の速度で拡大するトレンチは、年間 5000 時間の予想運転時間 (約 60 % デューティ) のヒーターの場合、3.75 年で 1.5 mm の壁を貫通します。 2.0 mm の壁であれば、それは 5 年に延長されます。ただし、これらの計算は単一のピットに基づいていますが、実際には多数のピットが発生し、最も深いピットによって破損が制御されます。

低流量条件が腐食とその増幅に及ぼす影響

この用途では、シース表面の境界層が腐食生成物や塩化物イオンで過飽和になる可能性があるため、低流量条件は特に有害です。表面から離れる塩化物の対流は、流速が 0.5 m/秒未満の場合に強く制限されます。金属表面の塩化物含有量はバルク中の塩化物含有量の 5 ～ 10 倍である可能性があるため、孔食の可能性が大幅に減少します。また、熱流束が強い場合、流量が低いとシース表面での部分沸騰または膜沸騰が起こりやすくなります。気泡の形成と崩壊により不動態層が機械的に劣化し、気泡の下の薄い液膜に局所的に濃縮された塩化物溶液が生成されます。このメカニズムにより、故障したヒーターの気泡核形成部位の周囲に観察される特徴的な「ピッチング リング」パターンが発生します。たとえば、バルク温度 90 度、シースワット密度 7 ～ 8 W/cm2 で使用される 316 ステンレス鋼製のフロー ヒーターの場合、低流量条件でも境界層の表面温度は 110 ～ 120 度より高くなる可能性があります。これらの温度では、臨界孔食閾値を大幅に超え、孔食の伝播速度は 1 ～ 2 mm/年になる可能性があります。したがって、検証された厚さでは、バルクの塩化物濃度と温度だけでなく、低流量による局所的な増幅の影響も考慮する必要があります。バルク設定では十分と思われる厚さでも、流量が 0.3 m/s を下回ると数か月以内に破損する可能性があります。

最大厚さを制限する熱水圧相互作用

壁の厚さ、熱伝達、低流量の相互作用により、実用的なシースの最大厚さにはさらなる制限が課せられます。壁の厚さが増加すると、熱抵抗が増加し、同じ電力入力に対するシースの表面温度が上昇します。低流量では、対流熱伝達係数はすでに低下しています-通常、2 m/s での 1500～2500 W/m²・K と比較して、0.3 m/s で 300～600 W/m²・K です。壁が厚いと、対流が悪くなると伝導抵抗が増加します。 50 % PG 中で外径 12 mm のチューブの壁厚を 90 度、流速 0.3 m/s で 1.2 mm から 2.0 mm に増やすと、ワット密度 7 W/cm2 でシース温度が約 125 度から 155 度に上昇します。温度が 30 度上昇すると、アレニウスの挙動に従って塩化物孔食率が 3 ～ 5 倍増加します。腐食許容量を提供するはずの厚い壁は、代わりに孔食の発生を非常に速くするため、正味の耐用年数は、薄く冷たい壁を使用した場合よりも短くなる可能性があります。この-自滅的なフィードバック ループは、低流量、高-塩化物グリコール系では最適な厚さの範囲があり、それを超えると金属が多くなると寿命が延びるどころか寿命が縮むことを意味します。ビール醸造所と食品産業の両方の循環ヒーターの検証済みフィールド データは、塩化物汚染のあるほとんどの 50 % PG システムでは 1.4 ～ 1.8 mm が最適であることを示しています。

さまざまな流量レジームに対する確認済みの厚さの推奨事項

流速が常に 1.0 m/s より高いことが保証できる場合、厚さ 1.5 ～ 1.7 mm は、2000 ppm の塩化物の存在下で 5 年間信頼できるサービスを提供します。適度な厚さにより、通常のワット密度でシース温度が 120 度未満に維持され、乱流により表面での塩化物濃度が防止されます。断続的な流れがあるシステム、または一部の動作段階で流れが 0.5 m/s 未満になる可能性があるシステムの場合、検証済みの最小厚さは 1.8 ～ 2.0 mm になります。この追加の金属は、腐食許容量というよりも、低流量時に発生する急速な孔食に耐えるためのものです。ただし、壁が 2.0 mm の場合、低流量時のシース温度を 135 度未満に保つために、ワット密度を 5 ～ 6 W/cm2 に制限する必要があります。スペースや暖房能力の制限によりワット密度を下げることができない場合は、熱による腐食の加速を防ぐために厚さを 1.5 ～ 1.6 mm に制限する必要があり、システム所有者は耐用年数が 3 ～ 4 年短縮されることを受け入れなければなりません. 316 ステンレスは、厚さに関係なく、加熱サイクル中に流れが完全に停滞する (速度ゼロ) 可能性があるシステムには推奨されません。停滞した条件下では、局所的な沸騰が避けられず、高い表面温度、塩化物含有量、および機械的気泡作用により、実際の厚さであれば 1 ～ 2 年で穴が開きます。このような状況では、チタンシースまたはインコロイ 825 ヒーターを指定する必要があります。

腐食試験とフィールドデータによる検証

上記の厚さに関する推奨事項を裏付ける証拠は次の 3 つです。 90 度、2000 ppm NaCl を含む 50 % PG に 316 ステンレス鋼クーポンを実験室で浸漬試験した際、撹拌試験 (高流量) では 0.2 ～ 0.3 mm/年、非撹拌試験 (低流量) では 0.5 ～ 0.8 mm/年の孔食深さが見られました。第二に、塩化物レベルが 1500 ～ 2500 ppm で報告されている食品工場のグリコール ループで 3 ～ 5 年後に使用を停止した循環ヒーターの現場検査では、1.5 ～ 1.6 mm の壁と乱流を備えたユニットの最大ピット深さは 0.4 ～ 0.7 mm で、十分な残留壁が残っていることが示されています。壁厚が 2.0 ～ 2.2 mm で流れが悪いユニットのピットの深さは 0.8 ～ 1.2 mm です。これは、材料の耐性が低いためではなく、壁厚の増加により表面温度が上昇し、攻撃が促進されたためです。第三に、80 ～ 100 度での塩化物で汚染された PG 中での 316 ステンレス鋼の電気化学的分極スキャンでは、孔食電位が 100 度を超えると急激に低下することが示され、シース温度をこのしきい値未満に保つことが、厚みを増やすことよりも重要であることが確認されました。

結論: 信頼性の高いサービスを実現するための検証済みの厚さの範囲

耐孔食性と熱加速のバランスをとるには、2000 ppm 塩化物を含む 50% プロピレン グリコール中、90 度、低流量条件での 316 ステンレス鋼フロー ヒーターのシースの厚さを決定するための検証された範囲が必要です。流速が 1.0 m/s、ワット密度が 6-8 W/cm2 の優れた設計のシステムの場合、厚さ 1.5 ～ 1.7 mm で 5 年の耐用年数が検証されています。通常動作流量が 0.5 m/s 未満のシステムの場合、厚さを 1.8 ～ 2.0 mm に増やす必要がありますが、同時にワット密度が 5 ～ 6 W/cm2 に減少する場合に限ります。 316 ステンレス鋼では、その厚さに関係なく、流れの停滞が発生する可能性のあるシステムは許容されません。この困難な環境用のヒーターを指定するエンジニアは、壁の厚さだけでなく、最低許容流速、最大ワット密度、および使用中に従うべき検証方法 (クーポンテストまたは電気化学モニタリング) も指定する必要があります。これにより、基本的な寸法要件が、塩化物で汚染されたグリコール系における肉厚を耐孔食性および熱性能に直接関連付ける検証済みの腐食管理技術に変更されます。