Berapa Ketebalan Selubung Terverifikasi untuk Pemanas Aliran Baja Tahan Karat 316 dalam Propilena Glikol 50% dengan Klorida 2000 ppm pada 90 derajat dan Kondisi Aliran Rendah

Pengorbanan Dasar-dalam Penghambatan Glikol dengan Kontaminasi Klorida

Propilen glikol (PG) adalah cairan perpindahan panas pilihan dalam pemrosesan makanan, manufaktur farmasi, dan aplikasi pembuatan bir di mana toksisitas etilen glikol tidak dapat diterima. Larutan PG 50% dalam air memberikan perlindungan yang baik terhadap pembekuan hingga suhu -35 C dan juga berfungsi sebagai penghambat korosi jika disiapkan dengan benar. Namun, di sirkuit PG industri, klorida cenderung masuk ke sirkuit dari sejumlah sumber seperti sisa bahan pembersih, infiltrasi air menara pendingin melalui penukar panas, atau penggunaan air riasan biasa (tidak dilunakkan). PG kehilangan perlindungan terhadap korosi pada tingkat klorida 2000 ppm, yang merupakan tingkat yang biasanya diamati pada sistem yang tidak dirawat dengan baik atau sistem dengan kebocoran air laut. Pada suhu pengoperasian 90 derajat dan kondisi aliran rendah yang menyebabkan stagnasi lapisan batas, baja tahan karat 316 memiliki risiko besar terhadap korosi lubang dan celah. Dalam aplikasi ini, ketebalan selubung bukanlah perhitungan kelonggaran korosi sederhana, namun merupakan latihan verifikasi untuk menunjukkan bahwa dinding yang dipilih dapat menahan serangan gabungan klorida, suhu tinggi dan penurunan perpindahan panas karena aliran rendah.

Mekanisme pitting yang disebabkan oleh klorida dalam larutan propilen glikol

Klorida 2000 ppm dalam larutan propilen glikol 50% pada suhu 90 derajat merupakan lingkungan yang agresif terhadap film pasif pada baja tahan karat 316. Propilen glikol sendiri bersifat penghambatan lemah namun mekanisme penghambatannya bergantung pada adsorpsi molekul glikol ke permukaan logam. Pada suhu 90 derajat lapisan teradsorpsi kurang efisien karena gerakan termal. Ion klorida sangat mudah bergerak dan berukuran kecil serta bersaing untuk mendapatkan lokasi permukaan dan menyebabkan lubang di titik lemah seperti inklusi sulfida atau goresan pada permukaan setelah menembus lapisan pasif. Temperatur pitting kritis baja tahan karat 316 dalam larutan klorida 2000 ppm adalah sekitar 50-60 derajat dalam air saja. Kehadiran inhibitor glikol meningkatkan suhu pitting kritis dalam 50% propilen glikol sekitar 10–15 derajat menjadi sekitar 65–75 derajat. Temperatur pengoperasian adalah 90 derajat dan sistem dioperasikan di atas temperatur pitting kritis, sehingga pertanyaan tentang inisiasi pit bukanlah "jika" namun "kapan". Setelah lubang terbentuk, laju pertumbuhannya dapat diprediksi dengan tren logaritmik atau linier bergantung pada ketersediaan oksigen dan resistivitas larutan. Hasil yang dipublikasikan untuk baja tahan karat 316 dalam glikol yang terkontaminasi klorida pada suhu 90 derajat menunjukkan tingkat pertumbuhan lubang sebesar 0,2 – 0,6 mm/tahun untuk kondisi aerasi. Parit yang mengembang dengan kecepatan 0,4 mm/tahun akan menembus dinding 1,5 mm dalam 3,75 tahun untuk pemanas dengan perkiraan waktu pengoperasian 5000 jam per tahun (tugas sekitar 60%). Tembok setebal 2,0 mm akan memperpanjang masa berlakunya hingga 5 tahun. Namun, perhitungan ini didasarkan pada satu lubang, padahal kenyataannya sejumlah lubang telah dimulai dan keruntuhan dikendalikan oleh lubang yang paling dalam.

Pengaruh kondisi aliran rendah terhadap korosi dan amplifikasinya

Untuk aplikasi ini, kondisi aliran rendah sangat merugikan karena memungkinkan lapisan batas pada permukaan selubung menjadi jenuh dengan produk korosi dan ion klorida. Konveksi klorida menjauh dari permukaan sangat terbatas untuk kecepatan aliran kurang dari 0,5 m/detik. Kandungan klorida pada permukaan logam mungkin lima atau sepuluh kali lipat dari kandungan klorida dalam jumlah besar sehingga sangat mengurangi potensi lubang. Aliran rendah juga menyebabkan pendidihan sebagian atau pendidihan lapisan film pada permukaan selubung ketika fluks panas kuat. Pembentukan dan keruntuhan gelembung secara mekanis menurunkan lapisan pasif dan menghasilkan larutan klorida pekat lokal dalam lapisan tipis cairan di bawah gelembung. Mekanisme ini mengarah pada pola karakteristik "pitting ring" yang diamati di sekitar lokasi nukleasi gelembung pada pemanas yang gagal. Misalnya, untuk pemanas aliran yang terbuat dari baja tahan karat 316 yang digunakan dalam suhu curah 90 derajat dan kerapatan watt selubung 7-8 W/cm2, suhu permukaan lapisan batas bisa lebih tinggi dari 110-120 derajat bahkan pada kondisi aliran rendah. Pada temperatur ini ambang batas kritis pitting sangat terlampaui dan laju penyebaran pit dapat mencapai 1-2 mm/tahun. Oleh karena itu, ketebalan yang diverifikasi harus mempertimbangkan tidak hanya konsentrasi dan suhu klorida curah, tetapi juga dampak amplifikasi lokal dari aliran rendah. Ketebalan yang tampaknya cukup dalam kondisi curah dapat rusak dalam beberapa bulan ketika aliran berada di bawah 0,3 m/s.

Interaksi Hidraulik Termal Membatasi Ketebalan Maksimum

Interaksi antara ketebalan dinding, transmisi panas dan aliran rendah memberikan batasan lebih lanjut pada ketebalan selubung maksimum yang dapat dipraktikkan. Dengan bertambahnya ketebalan dinding, hambatan termal meningkat yang meningkatkan suhu permukaan selubung untuk masukan daya listrik yang sama. Pada aliran rendah, koefisien perpindahan panas konvektif sudah berkurang-biasanya 300–600 W/m²·K pada 0,3 m/s dibandingkan dengan 1500–2500 W/m²·K pada 2 m/s. Dinding yang lebih tebal meningkatkan resistensi konduktif dalam skenario konvektif yang buruk. Meningkatkan ketebalan dinding tabung diameter luar 12 mm dalam 50 % PG, pada 90 derajat, dan dengan kecepatan aliran 0,3 m/s dari 1,2 mm menjadi 2,0 mm meningkatkan suhu selubung dari ∼125 derajat menjadi 155 derajat pada kepadatan watt 7 W/cm2. Peningkatan suhu sebesar 30 derajat menghasilkan peningkatan laju pitting klorida sebesar 3 hingga 5 kali lipat mengikuti perilaku Arrhenius. Dinding yang lebih tebal, yang seharusnya memberikan toleransi terhadap korosi, malah membuat serangan pitting begitu cepat sehingga masa pakai bersihnya mungkin lebih pendek dibandingkan dengan dinding yang lebih tipis dan lebih dingin. Putaran umpan balik yang tidak dapat dilakukan sendiri ini berarti bahwa dalam sistem glikol klorida dengan aliran rendah dan tinggi, terdapat kisaran ketebalan optimal sehingga lebih banyak logam yang akan mengurangi umurnya dibandingkan memperpanjang umurnya. Data lapangan yang terverifikasi untuk pemanas sirkulasi tempat pembuatan bir dan industri makanan menunjukkan nilai optimum antara 1,4 dan 1,8 mm untuk sebagian besar sistem PG 50% dengan kontaminasi klorida.

Rekomendasi Ketebalan yang Dikonfirmasi untuk Berbagai Rezim Aliran

Dimana kecepatan aliran dapat dipastikan selalu lebih tinggi dari 1,0 m/s, ketebalan 1,5-1,7 mm memberikan layanan yang andal selama lima tahun dengan adanya 2000 ppm klorida. Ketebalan sedang menjaga suhu selubung di bawah 120 derajat pada kepadatan watt normal dan aliran turbulen mencegah konsentrasi klorida di permukaan. Ketebalan minimum yang terverifikasi menjadi 1,8-2,0 mm untuk sistem dengan aliran terputus-putus atau dimana aliran dapat menjadi kurang dari 0,5 m/s pada beberapa fase operasional. Logam tambahan ini tidak terlalu berguna untuk menahan korosi, melainkan untuk menahan lubang cepat yang terjadi selama kejadian aliran rendah. Namun, untuk dinding berukuran 2,0 mm, kerapatan watt harus dibatasi hingga 5-6 W/cm2 untuk menjaga suhu selubung di bawah 135 derajat pada aliran rendah. Jika kepadatan watt tidak dapat dikurangi karena keterbatasan ruang atau kapasitas pemanasan, ketebalannya harus dibatasi hingga 1,5–1,6 mm untuk mencegah percepatan termal korosi, dan pemilik sistem harus menerima masa pakai yang lebih pendek selama tiga hingga empat tahun. 316 baja tahan karat tidak disarankan untuk sistem yang alirannya dapat stagnan sepenuhnya (kecepatan nol) selama siklus pemanasan, berapa pun ketebalannya. Dalam kondisi stagnan, titik didih lokal tidak dapat dihindari dan suhu permukaan yang tinggi, kandungan klorida dan aksi gelembung mekanis akan menembus ketebalan apa pun dalam satu hingga dua tahun. Dalam keadaan seperti itu, selubung titanium atau pemanas Incoloy 825 harus ditentukan.

Verifikasi melalui pengujian korosi dan data lapangan

Tiga sumber bukti yang mendukung rekomendasi ketebalan di atas adalah: Kedalaman lubang 0,2–0,3 mm/tahun terlihat pada pengujian berpengaduk (aliran tinggi) dan 0,5–0,8 mm/tahun dalam pengujian tanpa pengaduk (aliran rendah) selama pengujian perendaman di laboratorium terhadap 316 kupon baja tahan karat dalam 50 % PG dengan 2000 ppm NaCl pada suhu 90 derajat . Kedua, inspeksi lapangan terhadap pemanas sirkulasi yang dihentikan penggunaannya setelah tiga hingga lima tahun di loop glikol pabrik makanan di mana tingkat klorida dilaporkan sebesar 1500-2500 ppm menunjukkan bahwa unit dengan dinding 1,5-1,6 mm dan aliran turbulen memiliki kedalaman lubang maksimum 0,4-0,7 mm sehingga menyisakan dinding sisa yang cukup. Unit dengan dinding 2,0-2,2 mm dan aliran buruk memiliki kedalaman lubang 0,8-1,2 mm bukan karena materialnya kurang tahan tetapi karena peningkatan ketebalan dinding meningkatkan suhu permukaan dan mempercepat serangan. Ketiga, pemindaian polarisasi elektrokimia baja tahan karat 316 dalam PG yang terkontaminasi klorida pada suhu 80–100 derajat menunjukkan bahwa potensi lubang turun tajam di atas 100 derajat, sehingga menegaskan bahwa menjaga suhu selubung di bawah ambang batas ini lebih penting daripada menambah ketebalan.

Kesimpulan: Kisaran Ketebalan Terverifikasi untuk Layanan yang Andal

Kisaran yang divalidasi untuk penentuan ketebalan selubung untuk pemanas aliran baja tahan karat 316 dalam 50% propilen glikol dengan 2000 ppm klorida pada 90 derajat pada kondisi aliran rendah diperlukan untuk menyeimbangkan ketahanan lubang dan percepatan termal. Untuk sistem dengan desain yang baik, dengan kecepatan aliran 1,0 m/s dan kepadatan watt 6-8 W/cm2, ketebalan 1,5-1,7 mm memberikan masa pakai 5 tahun yang tervalidasi. Untuk sistem dengan laju aliran operasi normal di bawah 0,5 m/s, ketebalannya harus ditingkatkan menjadi 1,8-2,0 mm, namun hanya jika kerapatan watt secara bersamaan diturunkan menjadi 5-6 W/cm². Tidak ada sistem di mana stagnasi aliran dapat terjadi dapat diterima untuk baja tahan karat 316, berapa pun ketebalannya. Insinyur yang menentukan pemanas untuk lingkungan sulit ini harus menentukan tidak hanya ketebalan dinding, tetapi juga kecepatan aliran terendah yang diijinkan, kepadatan watt maksimum, dan metode verifikasi (pengujian kupon atau pemantauan elektrokimia) yang harus diikuti selama servis. Hal ini mengubah persyaratan dimensi dasar menjadi teknik manajemen korosi tervalidasi yang secara langsung menghubungkan ketebalan dinding dengan ketahanan lubang dan kinerja termal dalam sistem glikol yang terkontaminasi klorida.