Алюминиевая бронза, десятилетиями служившая морской воде
Алюминиевая бронза – это сплав на основе меди-, содержащий 5–11 % алюминия с добавками железа, никеля и марганца. Сплав образует защитную пленку из оксида алюминия, которая устойчива к коррозии в морской воде и самовосстанавливается-в случае повреждения. Скорость коррозии в чистой морской воде обычно составляет менее 0,025 мм в год, что обеспечивает срок службы 20–30 лет при типичной толщине стенки трубы.
Алюминиевая бронза используется в теплообменниках морской воды, поскольку она сочетает в себе достаточную коррозионную стойкость, высокую теплопроводность и умеренную стоимость. Теплопроводность составляет примерно 60 Вт/м·К, что примерно в 240 раз выше, чем у ПТФЭ. Высокая проводимость означает, что теплообменники из алюминиевой бронзы компактны и относительно недороги.
Ограничением алюминиевой бронзы является ее подверженность эрозионной-коррозии при высоких скоростях потока и сульфидной атаке в загрязненной морской воде. Предел эрозионной-коррозии обычно составляет 1,5–2,5 м/с для морской воды, при превышении которого защитная пленка механически удаляется, и скорость коррозии резко возрастает. Сульфидная атака происходит, когда морская вода содержит сероводород, который часто встречается в загрязненных гаванях и эстуариях. Сульфид реагирует с медью в сплаве и образует сульфид меди, который не является защитным.
ПТФЭ, устраняющий механизмы коррозии
ПТФЭ устойчив к морской воде при всех концентрациях и температурах в пределах своего рабочего диапазона. Материал не подвергается коррозии, а срок службы определяется механическими факторами, а не химическим воздействием. ПТФЭ не подвержен эрозионной-коррозии при высоких скоростях потока и не подвергается воздействию сульфидов или хлоридов.
Устранение механизмов коррозии является основной причиной, по которой ПТФЭ рекомендуется использовать в морской воде, где алюминиевая бронза не работает. В блоке из ПТФЭ не развивается эрозия-коррозия или сульфидное воздействие, которое ограничивает срок службы алюминиевой бронзы, а характеристики теплопередачи остаются стабильными в течение всего срока службы.
Зазор теплопроводности
Теплопроводность алюминиевой бронзы составляет примерно 60 Вт/м·К по сравнению с 0,25 Вт/м·К для ПТФЭ. Соотношение примерно 240:1.
Для теплообменника, отводящего 100 кВт в морской воде при температуре 30 градусов, блоку из алюминиевой бронзы требуется площадь поверхности примерно 5 м², исходя из общего коэффициента теплопередачи 1000 Вт/м²·К и средней логарифмической разницы температур в 20 градусов. Для установки из ПТФЭ для той же задачи требуется площадь поверхности примерно 25 м², исходя из общего коэффициента 200 Вт/м·К и той же разницы температур.
Блок из ПТФЭ в 5 раз больше блока из алюминиевой бронзы. Больший размер увеличивает капитальные затраты, занимаемую площадь и объем жидкости. Меньший тепловой поток снижает температуру стенки трубы, что полезно для процесса, но большая площадь поверхности также обеспечивает большую поверхность для отложений и требует больше времени для очистки.
Предел эрозии-коррозии алюминиевой бронзы
Предел эрозионной-коррозии — это скорость потока, выше которой защитная пленка на алюминиевой бронзе механически удаляется, и скорость коррозии резко возрастает. Предел зависит от состава сплава, химического состава морской воды и геометрии трубки.
Для стандартной алюминиевой бронзы в чистой морской воде предел эрозии-коррозии обычно составляет 1,5–2,5 м/с. Выше этой скорости скорость коррозии может увеличиться в 5–10 раз, а срок службы сокращается с 20–30 лет до 3–5 лет.
Предел эрозии-коррозии — важнейший параметр конструкции теплообменников из алюминиевой бронзы. Боковая скорость трубы- должна поддерживаться ниже предельного значения, для чего может потребоваться больший диаметр трубы или меньшая скорость потока. Больший диаметр трубки увеличивает размер теплообменника и капитальные затраты.
ПТФЭ не имеет такого же предела эрозии-коррозии. Материал не поддается механическому удалению защитной пленки, поскольку защитная пленка отсутствует. Теплообменник из ПТФЭ может работать при более высоких скоростях потока без риска эрозионной-коррозии, что обеспечивает большую гибкость конструкции.
Сульфидная атака на алюминиевую бронзу
Сульфидная атака происходит, когда морская вода содержит сероводород, который часто встречается в загрязненных гаванях, эстуариях и районах промышленных сбросов. Сульфид реагирует с медью в алюминиевой бронзе и образует сульфид меди, который не является защитным. Скорость коррозии резко возрастает, а срок службы сокращается с 20–30 лет до 1–3 лет.
Атака сульфидов — это локализованное явление, которое начинается на концах труб и в местах соединения труб-с-трубной решеткой, где скорость потока низкая, а концентрация сульфидов высокая. Атака проявляется в виде точечной коррозии, которая проникает в стенку трубы и вызывает утечку.
ПТФЭ не подвергается воздействию сульфидов. Материал устойчив к сероводороду во всех концентрациях и температурах в пределах своего рабочего диапазона. Это основная причина, по которой ПТФЭ рекомендуется использовать для морской воды в загрязненных гаванях и устьях рек.
Сравнение двух материалов в теплообмене морской воды
В следующей таблице приведены эксплуатационные и стоимостные характеристики теплообменников из ПТФЭ и алюминиевой бронзы при теплообмене с морской водой при температуре 30 градусов с чистой морской водой и скоростью потока 1,5 м/с.
| Характеристика | Алюминиевый бронзовый теплообменник | ПТФЭ теплообменник | Преимущество |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | Алюминиевая бронза |
| Общий коэффициент теплопередачи | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Алюминиевая бронза |
| Площадь поверхности, необходимая для 100 кВт | 5 m² | 25 m² | Алюминиевая бронза |
| Химическая стойкость к чистой морской воде | Отличный | Отличный | Равный |
| Химическая стойкость к морской воде, загрязненной сульфидами- | Бедный | Отличный | ПТФЭ |
| Предел эрозии-коррозии | 1.5–2.5 m/s | Никто | ПТФЭ |
| Максимальная рабочая температура | 200 градусов | 260 градусов | ПТФЭ |
| Механическая прочность | Высокий | Умеренный | Алюминиевая бронза |
| Устойчивость к термическому удару | Умеренный | Высокий | ПТФЭ |
| Ремонтопригодность | Ограниченный | Хороший | ПТФЭ |
| Срок службы в чистой морской воде | 20–30 лет | 15–20 лет | Алюминиевая бронза |
| Срок службы в морской воде,-загрязненной сульфидами | 1–3 года | 15–20 лет | ПТФЭ |
| Капитальные затраты на режим 100 кВт | $45,000 | $52,000 | Алюминиевая бронза |
| Стоимость установки | $6,000 | $5,000 | ПТФЭ |
| Стоимость годового обслуживания | $2,000 | $3,000 | Алюминиевая бронза |
| Общая стоимость-года (чистая морская вода) | $91,000 | $92,000 | Равный |
| Общие затраты за пять-лет (загрязнение сульфидами) | $180,000 | $92,000 | ПТФЭ |
Общие значения затрат за пять-лет предполагают производственную стоимость в размере 600 долларов США в час и включают капитальные затраты, стоимость установки и стоимость обслуживания в течение пяти лет. В случае загрязнения сульфидами- предполагается одна замена теплообменника в течение пяти лет для блока из алюминиевой бронзы.
Когда алюминиевая бронза — лучший выбор
Алюминиевая бронза является лучшим выбором в ряде конкретных случаев.
Чистая морская вода.Когда морская вода чистая и скорость потока ниже предела эрозии-коррозии, алюминиевая бронза обеспечивает превосходные характеристики при меньших капитальных затратах.
Низкоскоростной-сервис.Когда скорость потока ниже 1,5 м/с, риск эрозии-коррозии невелик, и лучшим выбором является алюминиевая бронза.
Установки с ограниченным пространством-.Когда доступное пространство сильно ограничено, единственным возможным вариантом может быть меньший по размеру блок из алюминиевой бронзы. Для блока из ПТФЭ потребуется в 5 раз больше площади поверхности, что может не поместиться в доступное пространство.
Служба-напряженного обслуживания.Алюминиевая бронза имеет более высокую механическую прочность, чем ПТФЭ, и может выдерживать более высокое давление. Для морской воды при давлении выше 10 бар единственным приемлемым вариантом может быть алюминиевая бронза.
Когда ПТФЭ — лучший выбор
ПТФЭ является лучшим выбором в ряде конкретных случаев.
Морская вода,-загрязненная сульфидами.ПТФЭ устойчив к сульфидам, а алюминиевая бронза – к воздействию. Для морской воды в загрязненных гаванях и устьях рек лучшим выбором является ПТФЭ.
Высокоскоростное-обслуживание.ПТФЭ не имеет предела эрозии-коррозии, что делает его пригодным для эксплуатации при высоких скоростях потока.
Услуга термоциклирования.ПТФЭ обладает более высокой термостойкостью, чем алюминиевая бронза, что делает его пригодным для эксплуатации при частых изменениях температуры.
Ремонтопригодный сервис.Квалифицированный специалист может отремонтировать теплообменники из ПТФЭ на месте, что сокращает время простоя и производственные потери.
Требование длительного срока службы в загрязненной морской воде.Если морская вода загрязнена и ожидается, что срок службы теплообменника составит 10 и более лет, ПТФЭ является лучшим выбором, поскольку он устойчив к химическому воздействию в течение более длительного периода.
Конструктивные особенности, продлевающие срок службы
Некоторые конструктивные особенности продлевают срок службы теплообменников из ПТФЭ и алюминиевой бронзы при эксплуатации в морской воде.
Контроль скорости потока.Поддержание скорости потока ниже предела эрозии-коррозии снижает скорость коррозии алюминиевой бронзы.
Сульфидный мониторинг.Мониторинг концентрации сульфидов в морской воде позволяет оператору переключиться на другой источник охлаждения, если концентрация сульфидов превысит пороговое значение.
Катодная защита.Жертвенные аноды или система катодной защиты с приложенным током могут снизить скорость коррозии алюминиевой бронзы.
Предусмотрены-уборочные средства.Соединения подачи и возврата моющего раствора позволяют очищать теплообменник без разборки, что сокращает время простоя и производственные потери.
Мониторинг температуры.Датчики температуры на входе и выходе теплообменника позволяют контролировать эффективность теплопередачи, что позволяет заблаговременно обнаружить загрязнение или деградацию.
Параметры спецификации для теплообмена морской воды
Инженеры по оборудованию, оценивающие теплообменники из ПТФЭ и алюминиевой бронзы для теплообмена морской воды, должны подтвердить следующие параметры у поставщика.
Химия морской воды.Укажите концентрацию хлоридов, концентрацию сульфидов и любые другие загрязнения.
Рабочая температура.Укажите максимальную рабочую температуру и ожидаемый температурный профиль.
Скорость потока.Укажите максимальную скорость потока и предел эрозии-коррозии для алюминиевой бронзы.
Рабочее давление.Укажите максимальное рабочее давление.
Тепловая нагрузка и площадь поверхности.Для каждого варианта материала укажите тепловую нагрузку и необходимую площадь поверхности.
Ограничения пространства.Укажите доступное пространство и максимально допустимую площадь.
Возможность обслуживания.Укажите ремонтопригодность объекта, включая возможность ремонта теплообменника на месте.
Требование к сроку службы.Укажите ожидаемый срок службы и график замены.
Выбор материала в соответствии с условиями эксплуатации в морской воде
Выбор между теплообменниками из ПТФЭ и алюминиевой бронзы для теплообмена морской воды зависит от химического состава морской воды, скорости потока, ограничений по пространству и требований к сроку службы. Алюминиевая бронза имеет более высокую теплопроводность и требует меньшей площади поверхности, но она подвержена эрозии-коррозии и сульфидному воздействию. ПТФЭ имеет более низкую теплопроводность и требует большей площади поверхности, но он устойчив ко всем загрязнениям морской воды и скоростям потока.
Решение о выборе должно основываться на анализе-специфического объекта, который включает капитальные затраты, стоимость установки, затраты на техническое обслуживание и риск производственных потерь. Простая модель электронной таблицы с этими компонентами затрат предоставляет информацию, необходимую для принятия решения.
Для установок по обмену тепла морской воды, оценивающих варианты теплообменников, выбор материала должен основываться на общей стоимости владения в течение ожидаемого срока службы, а не только на капитальных затратах или тепловых характеристиках. Установка из алюминиевой бронзы с более низкими капитальными затратами может иметь более высокую стоимость срока службы, если морская вода загрязнена и установка требует частой замены.
Инженеры по оборудованию и специалисты по закупкам, оценивающие характеристики теплообменника из ПТФЭ для теплообмена с морской водой или других коррозийных условий, могут запросить анализ конструкции, охватывающий химический состав морской воды, рабочую температуру, скорость потока, рабочее давление и ограничения по пространству, чтобы подтвердить, что выбор материала соответствует фактическим условиям эксплуатации и структуре затрат на объекте.
