Qual é a justificativa de engenharia para espessura de bainha de 1,2 mm versus 2,0 mm em aquecedores de imersão em água com caldeira de aço inoxidável 316 a 150 graus e 6 bar

Serviço de água pressurizada em alta temperatura: a compensação básica-

Uma das condições mais severas para qualquer material de revestimento metálico são os aquecedores de imersão em água da caldeira. A água é líquida a 150°C e 6 bar de pressão, mas próxima de sua curva de saturação, de modo que qualquer variação localizada de temperatura na superfície da bainha pode iniciar a ebulição nucleada ou mesmo a ebulição do filme. Nessas circunstâncias, com a química da água gerenciada corretamente, o aço inoxidável 316 tem resistência geral à corrosão adequada. No entanto, dois mecanismos de falha tornam-se importantes. Corrosão sob tensão causada por hidróxidos concentrados e corrosão por corrosão por qualquer penetração de cloretos. A seleção de uma espessura de bainha de 1,2 mm versus 2,0 mm não é uma questão de escolha. Cada número representa uma filosofia de engenharia diferente, com explicações variadas baseadas na contenção de pressão, tolerância à corrosão, resposta térmica e controle do regime de ebulição. Esta pesquisa apresenta o raciocínio de engenharia para cada opção de espessura e identifica as circunstâncias em que uma claramente excede a outra.

Justificativa de retenção de pressão a 6 bar, 150 graus

A tensão circular em uma bainha de aço inoxidável 316 a uma pressão operacional de 6 bar (manométrica) é calculada usando a fórmula do cilindro de parede-fina. O raio interno do tubo com diâmetro externo de 12 mm e espessura de 1,2 mm é de 4,8 mm. A tensão circular é a pressão vezes o raio interno dividido pela espessura da parede: 0,6 MPa vezes 4,8 mm dividido por 1,2 mm é igual a 2,4 MPa. Para uma espessura de parede de 2,0 mm, o raio interno é 4,0 mm e a tensão circular é 0,6 MPa × 4,0 mm / 2,0 mm=1.2 MPa. Ambos os números estão várias ordens de magnitude abaixo do limite de escoamento do aço inoxidável 316 a 150 graus de aproximadamente 170 MPa. A contenção da pressão não justifica a parede mais espessa. Mesmo a parede de 1,2 mm tem um fator de segurança de 70 contra falhas de rendimento. Para ser estanque à pressão a 6 bar, a espessura da parede necessária é no mínimo inferior a 0,3 mm. A base de engenharia para qualquer espessura deve, portanto, basear-se em outros motivos e não em considerações de pressão de ruptura.

Por que uma tolerância à corrosão na química da água de caldeiras

A água da caldeira é geralmente tratada para manter as condições alcalinas (pH 9-11) e para eliminar o oxigênio dissolvido, cloretos e outras espécies hostis. A taxa geral de corrosão do aço inoxidável 316 na química ideal da água a 150 graus é bastante baixa, aproximadamente 0,005-0,015 mm/ano. Uma parede de 1,2 mm suportaria potencialmente apenas 80 a 240 anos sob ataque consistente. Mas os sistemas de caldeiras genuínos têm as suas condições perturbadoras: fugas no condensador introduzem cloretos, o mau tratamento químico causa concentração cáustica ou intrusão de oxigénio durante a manutenção. As taxas de corrosão localizada foram estimadas em 0,1-0,3 mm/ano sob condições de choque. A parede tem 1,2 mm de espessura, o que proporciona uma tolerância à corrosão de, digamos, 0,6-0,7 mm antes de atingir a espessura estrutural mínima de 0,5 mm. Esta licença seria gasta em 3 a 4 anos a uma taxa de corrosão perturbada de 0,2 mm/ano. A parede de 2,0 mm proporciona uma tolerância à corrosão de 1,3-1,4 mm e estende o tempo de sobrevivência a perturbações para seis a oito anos. Portanto, a razão de engenharia para a parede de 2,0 mm no serviço de água da caldeira não é para condições normais de operação, mas para a robustez às perturbações químicas da água. A parede mais fina pode ser justificada para instalações com bom monitoramento e controle do tratamento de água. A parede mais espessa deve ser justificada como proteção contra perturbações em instalações com qualidade variável da água de alimentação, fugas frequentes no condensador ou mão-de-obra limitada para tratamento químico.

Controle do regime de ebulição e diferença crítica de espessura

A razão de engenharia mais singular para a diferença entre 1,2 mm e 2,0 mm está na interação de cada espessura com o regime de ebulição na superfície da bainha. A 150 graus e 6 bar de pressão, a temperatura de saturação da água é de 150 graus. A bainha do aquecedor deve estar acima da temperatura global para transferir calor, portanto, a temperatura da superfície é normalmente de 160-180 graus, dependendo da densidade de watts e das condições de fluxo. Tais temperaturas induzem a ebulição nucleada. A segunda, ebulição nucleada, ocorre quando bolhas de vapor nucleam a partir de locais de nucleação na superfície da bainha, crescem e se desprendem, e é muito eficiente na transferência de calor. Mas se o fluxo de calor for muito grande ou a temperatura da superfície acima de um determinado valor, a ebulição nucleada mudará para a ebulição do filme, onde uma camada contínua de vapor isola a bainha e leva a um rápido aumento da temperatura. A espessura da parede afeta a temperatura da superfície em uma determinada densidade de watts. Para uma determinada densidade de watts de 12 W/cm2 na superfície da bainha em água a 150 graus, uma espessura de parede de 1,2 mm terá uma temperatura superficial de cerca de 165-170 graus, o que está bem dentro do regime de ebulição nucleada. Na mesma densidade de watts, uma parede de 2,0 mm com maior resistência térmica eleva a temperatura da superfície para 180-185 graus. Isto está próximo do fluxo de calor crítico da água a esta pressão e temperatura. Se você estiver mais próximo da transição de ebulição do filme, você corre o risco de uma rápida variação de temperatura se o fluxo cair ou a densidade de watts aumentar. Portanto, a base de engenharia para uma parede de 1,2 mm é um melhor desempenho térmico e uma maior margem contra a ebulição do filme. A parede mais fina mantém uma temperatura superficial mais baixa, permitindo maiores densidades de watts ou uma proteção contra distúrbios do processo.

Suscetibilidade dos concentrados de água da caldeira à corrosão sob tensão

A corrosão sob tensão cáustica (CSCC) é um mecanismo de falha reconhecido para aços inoxidáveis ​​austeníticos em condições de água de caldeira onde há concentração cáustica local sob depósitos ou na linha d'água. A suscetibilidade ao CSCC aumenta com a temperatura e com a concentração de hidróxido de sódio. A tensão limite para CSCC do aço inoxidável 316 é de cerca de 150-200 MPa a 150 graus em soluções cáusticas diluídas, mas diminui rapidamente com o aumento da temperatura. Existem duas fontes de tensão de tração residual em uma bainha de aquecedor: tensão de pressão interna (mostrada acima como mínima) e tensões residuais de fabricação provenientes do estiramento e flexão do tubo. As tensões residuais do arco em tubos trefilados de aço inoxidável 316 são normalmente de 50 a 150 MPa, dependendo do grau de trabalho a frio e do estado de recozimento do tubo. Uma parede de 1,2 mm é mais fina e, portanto, apresenta tensões residuais menores após o trefilamento do que uma parede de 2,0 mm. Isso ocorre porque é necessário menos trabalho a frio para chegar à dimensão final. A experiência de campo indica que aquecedores de paredes mais finas são menos propensos à iniciação de CSCC devido à menor tensão residual e menor temperatura superficial, o que reduz a taxa de concentração cáustica. A base de engenharia para a parede de 1,2 mm é uma menor suscetibilidade intrínseca à corrosão sob tensão sob as mesmas circunstâncias químicas da água.

Resposta Térmica e Controle do Sistema

Aquecedores de imersão em água de caldeira são comumente empregados em sistemas que requerem controle preciso de temperatura. A massa térmica da bainha influencia o tempo de resposta aos sinais de controle. Uma parede de 2,0 mm tem cerca de 67% mais metal por unidade de comprimento do que uma parede de 1,2 mm (para o mesmo diâmetro externo, ou seja, um tubo de 12 mm, a área-da seção transversal da bainha aumenta de 40,7 mm² para 62,8 mm²). Este metal adicional funciona como um capacitor térmico, que retarda a taxa de mudança da temperatura da bainha após a aplicação ou remoção de energia. Para um sistema que liga e desliga muito, a parede mais espessa resulta em maiores oscilações de temperatura e períodos de estabilização mais longos. Mais importante ainda, devido ao atraso térmico entre o fio de resistência e a superfície da bainha, um sistema de controlo que responde a um termopar colocado na bainha será lento a responder às alterações na temperatura do fio. A constante de tempo para o calor ser transmitido do fio para a superfície externa para uma parede de 1,2 mm é de cerca de 0,5 a 1,0 segundos. Numa parede de 2,0 mm esta constante de tempo é de 1,5 a 3,0 segundos. Esta diferença é pequena para a maioria dos controles de caldeiras, mas para aplicações de alta precisão ou sistemas com mudanças rápidas de carga, a parede mais fina proporciona melhor controlabilidade. A justificativa de engenharia para a parede de 1,2 mm nessas aplicações é uma melhor capacidade de resposta dinâmica e um controle de temperatura mais rígido.

Tabela de Resumo de Justificativa de Engenharia

Consideração Bainha de 1,2 mm Bainha de 2,0 mm
Fator de segurança de contenção de pressão em 6 bar 70 (excelente) 140 (projetado demais)
Tolerância à corrosão para operação normal 0,6 mm (80+ anos) 1,4 mm (180+ anos)
Tempo de sobrevivência perturbado (taxa de corrosão 0,2 mm/ano)3-4 anos 6-8 anos
Temperatura da superfície a 12 W/cm2 165-170 grau 180-185 graus
Margem de transição para ebulição do filmeGrande Pequeno
Tensão residual de fabricação Menor (50–100 MPa)Aumentada (80-150 MPa)
Risco de iniciar CSCCLowerHigher
Constante de tempo de reação térmica 0,5 a 1,0 segundo 1,5 a 3,0 segundos
Aplicação normal justificadaSistemas bem controlados Alta densidade de watts Controle de precisãoDesign conservadorSistemas propensos a perturbaçõesÁgua de alimentação variável
Conclusões: A justificativa de engenharia para cada espessura

Não se trata de um ser melhor que o outro. Por exemplo, aquecedores de imersão em água com caldeira de aço inoxidável 316 a 150 graus e 6 bar: espessura da bainha de 1,2 mm ou 2,0 mm. A parede de 1,2 mm é justificada quando a química da água é bem controlada e mantida continuamente, quando é necessária uma operação com alta densidade de watts e quando o tempo de reação térmica é importante. Isso resulta em temperaturas superficiais mais baixas, uma maior margem contra a ebulição do filme, menos tensões residuais e menos suscetibilidade à fissuração por corrosão sob tensão. Uma parede de 2,0 mm é garantida onde são esperados distúrbios químicos da água, é necessário um maior tempo de sobrevivência aos distúrbios e onde a tolerância à corrosão é preferida ao desempenho térmico pela filosofia de projeto. Isto proporciona uma maior reserva de metal para ataque localizado, mas às custas de temperaturas superficiais mais altas e talvez de um risco maior de CSCC. Para a maioria dos sistemas de caldeiras atuais onde o tratamento químico é automatizado e o monitoramento é constante, a justificativa de engenharia está na faixa de 1,2–1,5 mm. A parede de 2,0 mm é uma escolha razoavelmente cautelosa para plantas idosas, plantas com composição flutuante e qualidade da água ou circunstâncias em que o aquecedor não é facilmente inspecionado e trocado. Nestes casos, o engenheiro deve justificar a escolha com base na capacidade de gestão química da água, na frequência esperada de perturbações e nas necessidades de densidade de watts e não na ideia incorreta de que mais espesso é sempre mais seguro em serviços de água pressurizada a alta temperatura.