Qual é a diferença de desempenho-de longo prazo entre 1,5 mm e 2,5 mm de espessura da bainha para aquecedores de aço inoxidável 316 em pasta bruta de ácido fosfórico a 10% a 80 graus com cristais abrasivos

A compensação básica-no serviço da produção de ácido fosfórico

A produção-de ácido fosfórico por processo úmido produz uma pasta bruta de 10% de ácido fosfórico em uma mistura de cristais de sulfato de cálcio hemi-hidratado ou di-hidratado, partículas de rocha fosfática que não reagiram e diferentes contaminantes metálicos. Este é um ambiente muito agressivo devido à combinação de um meio levemente ácido (pH 1-2) e partículas sólidas que corroem o revestimento passivo do aço inoxidável 316. Aquecedores elétricos de imersão em concentradores de ácido fosfórico e tanques de ataque estão sujeitos à combinação de corrosão química e abrasão mecânica. A decisão da espessura da bainha, 1,5 mm versus 2,5 mm, é um cálculo de desempenho de longo prazo em que o metal adicional na parede mais espessa precisa ser equilibrado em relação às implicações térmicas e mecânicas do funcionamento com uma seção transversal-maior. Ao contrário do serviço de líquidos limpos, onde a única preocupação é a corrosão, esta aplicação envolve o monitoramento de dois mecanismos de degradação interativos ao longo de campanhas plurianuais.

Erosão-Corrosão Sinergismo Dependência da Espessura

A taxa de corrosão uniforme do aço inoxidável 316 em ácido fosfórico limpo a 80 graus é de cerca de 0,1-0,3 mm/ano, dependendo da quantidade de impurezas de flúor e cloreto no ácido bruto. Ao adicionar cristais abrasivos (cristais de sulfato de cálcio hemi-hidratado) normalmente com tamanho de 10-100 mícrons e com dureza Mohs de 2,5-3,0, o mecanismo de degradação muda de corrosão pura para corrosão-erosão. O revestimento protetor passivo é continuamente removido pelas partículas que atingem, expondo o metal fresco ao ácido. A taxa de erosão-corrosão não é apenas a soma da taxa de erosão pura e da taxa de corrosão pura. Em vez disso, ocorre um efeito sinérgico, onde a taxa de corrosão do metal continuamente despassivado é substancialmente maior do que a taxa de corrosão de uma superfície passiva estável. Os resultados publicados para aço inoxidável 316 em ácido fosfórico a 10% com 5-10% de partículas a 80 graus e uma velocidade de lama de 1,5 m/s mostram taxas de erosão-corrosão de 0,6-1,2 mm por ano, que são três a seis vezes a taxa de corrosão pura. O tempo calculado para perfuração sob erosão-corrosão contínua é de 1,3 a 2,5 anos para espessura de parede de 1,5 mm. Para uma parede de 2,5 mm, o tempo calculado é de 2,1 a 4,2 anos. No entanto, estes cálculos assumem uma taxa constante de erosão-corrosão. Na verdade, à medida que a parede fica mais fina, a distribuição de tensões locais na superfície muda e a taxa de erosão pode aumentar porque uma parede mais fina desvia mais no contato com as partículas, levando a tensões locais maiores que fraturam a superfície mais facilmente. As estatísticas de desempenho de longo prazo das fábricas de ácido fosfórico mostram que a taxa de erosão-corrosão geralmente aumenta em 20-40% quando a espessura da parede é inferior a 1,0 mm. Então a parede de 2,5 mm começa com mais metal e demora mais para entrar nesse regime de aceleração.

Papel Mecânico da Espessura das Paredes e Energia de Impacto do Cristal

Os cristais abrasivos na pasta de ácido fosfórico bruto não deslizam simplesmente sobre a superfície, mas atingem-na de diferentes ângulos, dependendo do padrão de fluxo em torno do aquecedor. No fluxo-cruzado, as partículas na lama atingem a borda principal de um tubo de aquecimento cilíndrico em ângulos quase normais (alta energia de impacto, maior erosão) e as laterais em ângulos de visão (menor erosão). A energia de impacto de um cristal de sulfato de cálcio movendo-se a 1,5 m/s é de 0,5 a 2 microjoules dependendo do tamanho da partícula. Essa energia é suficiente para produzir micro{7}}deformações plásticas na superfície do aço inoxidável 316. A profundidade da camada plasticamente distorcida de cada golpe é geralmente de 1 a 5 mícrons. A remoção total do material é obtida por um processo de fadiga com grande número de impactos: impactos repetidos produzem endurecimento por trabalho, início de fratura e finalmente separação de pequenas peças metálicas. A taxa de remoção de material está inversamente relacionada à dureza do metal e também depende da capacidade do material a granel subjacente de absorver a energia do impacto sem quebrar. Uma parede mais espessa leva a uma base elástica maior sob a superfície impactada. Para o aço inoxidável 316, o módulo de elasticidade é 193 GPa e a rigidez da parede do tubo na flexão é proporcional ao cubo da espessura para um determinado diâmetro externo. Uma espessura de parede de 2,5 mm tem uma rigidez à flexão de cerca de 4,6 vezes a de uma espessura de parede de 1,5 mm (2,5³/1,5³=4.6). A rigidez aumentada diminui a deflexão dinâmica após o impacto das partículas e, assim, reduz o pico de tensão de contato e a taxa de erosão. Observações de campo em aquecedores de plantas fosfóricas indicam que as taxas de erosão de tubos de parede de 2,5 mm na borda principal são frequentemente 20-30% menores do que tubos de parede de 1,5 mm sob as mesmas condições de lama apenas devido à influência da rigidez.

Penalidade no desempenho térmico de paredes mais espessas em serviço com incrustações

Sabe-se que a pasta bruta de ácido fosfórico polui. Os cristais de sulfato de cálcio tendem a acumular-se em superfícies quentes. Isto provoca a formação de uma incrustação que isola o tubo e limita a transferência de calor. A taxa de desenvolvimento de incrustações depende da temperatura da superfície em relação à curva de solubilidade do sulfato de cálcio. Quando a temperatura da bainha é superior a 90-95 graus, a solubilidade do sulfato de cálcio hemi-hidratado cai e sua precipitação é acelerada. Um aquecedor de parede de 1,5 mm com uma densidade de watts de 6 W/cm2 em ácido a granel a 80 graus tem uma temperatura de superfície de revestimento de cerca de 95-100 graus, no limite para incrustação acelerada. Na mesma densidade de watts, uma parede de 2,5 mm leva a uma temperatura de revestimento de 110-120°C, bem dentro da faixa de escala. O tubo de parede de 2,5 mm terá acúmulo de incrustações-mais rápido e mais espesso do que o tubo de 1,5 mm. Uma vez colocada a camada de incrustações, ela adiciona sua própria resistência térmica, o que aumenta ainda mais a temperatura da bainha em um ciclo de auto{33}}reforço. A espessura de parede equivalente a 4,0 mm da resistência térmica efetiva de uma parede de 2,5 mm com 0,5 mm de incrustação de sulfato de cálcio. Esta incrustação não apenas inibe o transporte de calor, mas também produz fissuras sob a química ácida em massa que se tornam concentradas localmente e aceleram a corrosão. Assim, a diferença no desempenho a longo prazo das duas espessuras depende vitalmente da capacidade de ajustar a escala. A parede de 2,5 mm pode atingir sua vida prolongada de erosão-corrosão em plantas utilizando limpeza mecânica (giradores ou raspadores) ou descalcificação química. A parede de 1,5 mm pode realmente funcionar melhor em plantas onde é permitida a acumulação de incrustações. A temperatura superficial mais baixa atrasa a formação de incrustações e, quando a incrustação é formada, a parede da base mais fina mantém um fluxo de calor mais alto através da camada combinada parede-incrustação.

Ciclagem Térmica e Tensões Diferenciais de Expansão

Os concentradores de ácido fosfórico funcionam em ciclos descontínuos ou com alimentação intermitente e o aquecedor é ciclado termicamente da temperatura ambiente até 80 graus e vice-versa. Cada ciclo de aquecimento provoca tensões de expansão diferenciais entre o fio de resistência, o isolamento de óxido de magnésio e a bainha de aço inoxidável. Como uma seção mais espessa oferece maior resistência à expansão e contração térmica, a amplitude dessas tensões é proporcional à espessura da bainha. O coeficiente de expansão do aço inoxidável 316 para uma mudança de temperatura de 80 graus é de aproximadamente 0,1% (16 × 10-6/ grau x 80 graus=0.00128). Para um tubo com diâmetro externo de 12 mm esta expansão é de 0,015 mm. Uma parede de 1,5 mm pode lidar mais facilmente com a expansão por deformação elástica do que uma parede de 2,5 mm. A parede mais espessa está sujeita a maiores pressões cíclicas no contato entre a bainha e o isolamento de óxido de magnésio ao longo de milhares de ciclos. Isto pode levar à fissuração do isolamento, o que diminui a rigidez dielétrica e, finalmente, leva à falha elétrica. Dados de desempenho-de longo prazo de fábricas de fósforo indicam que aquecedores de parede de 2,5 mm apresentam uma taxa maior de falhas elétricas (quebra de isolamento) do que aquecedores de parede de 1,5 mm após 3 a 5 anos de serviço, mesmo quando a parede de 2,5 mm ainda possui espessura de metal adequada restante. A parede mais espessa sacrifica a vida por corrosão-erosão em favor da vida por fadiga térmica.

Resumo-de comparação de desempenho de longo prazo

Bainha métrica de desempenho de 1,5 mm Bainha de 2,5 mm
Erosão-taxa de corrosão com lama de 1,5 m/s 0,6-1,2 mm/ano 0,5-0,9 mm/ano (20-30% menor devido à rigidez)
Tempo de perfuração (estimado) 1,3 a 2,5 anos 2,8 a 5,0 anos
Temperatura da bainha a 6 W/cm² 95-100 graus 110-120 graus
Taxa de escalonamento (sulfato de cálcio) Moderada (regime limite) Alta (regime acelerado)
Vida útil à fadiga térmica (ciclos até falha de isolamento) 4.000-7.000 ciclos 8.000-12.000 ciclos
A vida útil típica relatada para plantas de fósforo é de 2 a 4 anos (escala limitada) de 3 a 5 anos (fadiga térmica limitada)
Melhor utilização Plantas com capacidade de descalcificação, operação em lote Serviço contínuo com pouco espaço para escala
Estratégias práticas para extensão vitalícia além da seleção de espessura

A espessura da bainha por si só não resolverá o problema da pasta de ácido fosfórico. Foi demonstrado que três soluções complementares prolongam a vida útil do aquecedor além do que seria previsto apenas com base na espessura. 1. Gerenciamento de fluxo: alinhar os tubos do aquecedor paralelamente ao fluxo de lama em vez de perpendicularmente diminui os ângulos de impacto e as taxas de erosão em 40-60%. Em segundo lugar, o endurecimento da superfície: a nitretação ou boronização da superfície do aço inoxidável 316 aumenta a dureza de 200 HV para 800-1000 HV, reduzindo bastante as taxas de erosão sem aumentar a resistência térmica. Um tubo de 1,5 mm com superfície mais dura pode ser duas vezes mais durável que um tubo de 2,5 mm sem superfície resistente. Terceiro, o gerenciamento de incrustações, com a temperatura do ácido a granel mantida abaixo de 75 graus ou o uso de inibidores de incrustações, como poliacrilatos, mantém a superfície da bainha abaixo do limite de precipitação de sulfato de cálcio, de modo que o uso de paredes mais finas e termicamente mais eficientes é possível. Algumas fábricas usaram aquecedores de parede de 1,2 mm com endurecimento de superfície e inibição de incrustações por cinco ou mais anos sem problemas, enquanto aquecedores de parede de 2,5 mm não tratados falharam devido ao superaquecimento induzido por incrustações.

Conclusão: Diferença de desempenho explicada pelas condições operacionais

O diferencial-de desempenho de longo prazo entre 1,5 mm e 2,5 mm de espessura de parede para aquecedores de aço inoxidável 316 em pasta bruta de ácido fosfórico a 10% a 80 graus não é um benefício simples para paredes mais espessas. A parede de 2,5-mm oferece 1,5 a 2,0 vezes mais vida útil contra erosão-corrosão em serviço contínuo e de baixa{13}}incrustação, mas sofre com temperaturas de superfície mais altas que aumentam as taxas de incrustação e com vida útil de fadiga térmica reduzida. A parede de mm tem desempenho térmico superior, propensão de incrustação reduzida e vida útil de fadiga térmica mais longa, mas menos reserva de metal para erosão-corrosão. Para a maioria das plantas de ácido fosfórico, a espessura ideal está entre esses dois extremos, em torno de 1,8-2,0 mm, com endurecimento superficial e controle de incrustação aplicados. Se uma planta com bom controle de incrustação e operação contínua for forçada a escolher entre os dois, a parede de 2,5 mm deverá ser selecionada para maximizar a vida útil contra erosão e corrosão. Para instalações que operam em modo descontínuo, com ciclos térmicos frequentes ou capacidades de desincrustação limitadas, deve ser escolhida uma espessura de parede de 1,5 mm para evitar incrustações e falhas por fadiga térmica. As necessidades de tratamento de superfície e a orientação do fluxo devem ser determinadas nas especificações, transformando uma simples seleção de espessura em um projeto completo de aquecedor para manuseio de lama.