Aluminiumsbronze, der har tjent havvand i årtier
Aluminiumsbronze er en kobber-baseret legering, der indeholder 5-11 % aluminium med tilsætning af jern, nikkel og mangan. Legeringen danner en beskyttende aluminiumoxidfilm, der modstår havvandskorrosion, og filmen er selv-helende, hvis den er beskadiget. Korrosionshastigheden i rent havvand er typisk mindre end 0,025 mm om året, hvilket giver en levetid på 20-30 år for en typisk rørvægstykkelse.
Aluminiumsbronze bruges i havvandsvarmevekslere, fordi den kombinerer tilstrækkelig korrosionsbestandighed med høj varmeledningsevne og moderate omkostninger. Den termiske ledningsevne er cirka 60 W/m·K, hvilket er cirka 240 gange højere end PTFE. Den høje ledningsevne betyder, at varmevekslere af aluminium bronze er kompakte og relativt billige.
Begrænsningen ved aluminiumbronze er dens modtagelighed for erosion-korrosion ved høje strømningshastigheder og sulfidangreb i forurenet havvand. Erosions-korrosionsgrænsen er typisk 1,5-2,5 m/s for havvandsservice, over hvilken den beskyttende film fjernes mekanisk, og korrosionshastigheden stiger kraftigt. Sulfidangrebet opstår, når havvandet indeholder svovlbrinte, som er almindeligt i forurenede havne og flodmundinger. Sulfidet reagerer med kobberet i legeringen og danner kobbersulfid, som ikke er beskyttende.
PTFE, der eliminerer korrosionsmekanismerne
PTFE er modstandsdygtig over for havvand ved alle koncentrationer og temperaturer inden for dets serviceområde. Materialet korroderer ikke, og levetiden bestemmes af mekaniske faktorer frem for kemiske angreb. PTFE er ikke modtagelig for erosion-korrosion ved høje strømningshastigheder, og det angribes ikke af sulfider eller chlorider.
Elimineringen af korrosionsmekanismerne er den primære årsag til, at PTFE er specificeret til havvandsservice, hvor aluminiumbronze ville svigte. PTFE-enheden udvikler ikke den erosions--korrosion eller sulfidangreb, der begrænser aluminiumsbronze-levetiden, og varmeoverførselsydelsen forbliver stabil i hele levetiden.
Den termiske ledningsevnegab
Den termiske ledningsevne af aluminiumbronze er ca. 60 W/m·K sammenlignet med 0,25 W/m·K for PTFE. Forholdet er cirka 240:1.
For en varmeveksler, der afviser 100 kW i havvand ved 30 grader, kræver en aluminiumsbronzeenhed ca. 5 m² overfladeareal, baseret på en samlet varmeoverførselskoefficient på 1.000 W/m²·K og en log middeltemperaturforskel på 20 grader. En PTFE-enhed til samme opgaver kræver ca. 25 m² overfladeareal baseret på en samlet koefficient på 200 W/m·K og den samme temperaturforskel.
PTFE-enheden er 5 gange større end bronzeenheden i aluminium. Jo større størrelse øger kapitalomkostningerne, gulvpladsen og væskevolumenet. Den lavere varmeflux reducerer rørvægstemperaturen, hvilket er gavnligt for processen, men det større overfladeareal giver også mere overflade til aflejringer og kræver mere tid at rense.
Erosion-korrosionsgrænsen for aluminiumsbronze
Erosions-korrosionsgrænsen er den strømningshastighed, over hvilken den beskyttende film på aluminiumsbronzen fjernes mekanisk, og korrosionshastigheden stiger kraftigt. Grænsen afhænger af legeringssammensætningen, havvandskemien og rørgeometrien.
For standardaluminiumbronze i rent havvand er erosions-korrosionsgrænsen typisk 1,5-2,5 m/s. Over denne hastighed kan korrosionshastigheden stige med en faktor fem til ti, og levetiden reduceres fra 20-30 år til 3-5 år.
Erosions-korrosionsgrænsen er en kritisk designparameter for varmevekslere af aluminiumsbronze. Rørets-sidehastighed skal holdes under grænsen, hvilket kan kræve en større rørdiameter eller en lavere strømningshastighed. Den større rørdiameter øger varmevekslerens størrelse og kapitalomkostningerne.
PTFE har ikke en erosion-korrosionsgrænse i samme betydning. Materialet er ikke modtageligt for mekanisk fjernelse af en beskyttelsesfilm, fordi der ikke er nogen beskyttelsesfilm. PTFE-varmeveksleren kan fungere ved højere strømningshastigheder uden risiko for erosion-korrosion, hvilket giver mere fleksibilitet i designet.
Sulfidangrebet på aluminiumsbronze
Sulfidangreb opstår, når havvandet indeholder svovlbrinte, som er almindeligt i forurenede havne, flodmundinger og industrielle udledningsområder. Sulfidet reagerer med kobberet i aluminiumsbronzen og danner kobbersulfid, som ikke er beskyttende. Korrosionshastigheden stiger kraftigt, og levetiden reduceres fra 20-30 år til 1-3 år.
Sulfidangrebet er et lokaliseret fænomen, der starter ved rørenderne og ved rør-til-rørpladesamlingerne, hvor strømningshastigheden er lav og sulfidkoncentrationen høj. Angrebet viser sig som pitting, som trænger ind i rørvæggen og forårsager en lækage.
PTFE angribes ikke af sulfid. Materialet er modstandsdygtigt over for svovlbrinte ved alle koncentrationer og temperaturer inden for dets serviceområde. Dette er en primær årsag til, at PTFE er specificeret til havvandsservice i forurenede havne og flodmundinger.
Sammenligning af de to materialer i havvandsvarmeveksling
Følgende tabel opsummerer ydeevne og omkostningskarakteristika for PTFE- og aluminiumsbronzevarmevekslere i havvandsvarmevekslerservice ved 30 grader med rent havvand og en strømningshastighed på 1,5 m/s.
| Karakteristisk | Aluminium bronze varmeveksler | PTFE varmeveksler | Fordel |
|---|---|---|---|
| Termisk ledningsevne | 60 W/m·K | 0.25 W/m·K | Aluminium bronze |
| Samlet varmeoverførselskoefficient | 1,000 W/m²·K | 200 W/m²·K | Aluminium bronze |
| Kræver overfladeareal til 100 kW | 5 m² | 25 m² | Aluminium bronze |
| Kemisk modstandsdygtighed over for rent havvand | Fremragende | Fremragende | Lige |
| Kemisk modstandsdygtighed over for sulfid-forurenet havvand | Dårlig | Fremragende | PTFE |
| Erosion-korrosionsgrænse | 1.5–2.5 m/s | Ingen | PTFE |
| Maksimal driftstemperatur | 200 grader | 260 grader | PTFE |
| Mekanisk styrke | Høj | Moderat | Aluminium bronze |
| Modstandsdygtighed over for termisk stød | Moderat | Høj | PTFE |
| Reparationsevne | Begrænset | God | PTFE |
| Levetid i rent havvand | 20-30 år | 15-20 år | Aluminium bronze |
| Levetid i sulfid-forurenet havvand | 1-3 år | 15-20 år | PTFE |
| Kapitaludgift til 100 kW told | $45,000 | $52,000 | Aluminium bronze |
| Installationsomkostninger | $6,000 | $5,000 | PTFE |
| Årlige vedligeholdelsesomkostninger | $2,000 | $3,000 | Aluminium bronze |
| Fem-års samlede omkostninger (rent havvand) | $91,000 | $92,000 | Lige |
| Fem-års samlede omkostninger (sulfid-forurenet) | $180,000 | $92,000 | PTFE |
De fem-årige samlede omkostningsværdier antager en produktionsværdi på 600 USD pr. time og inkluderer kapitalomkostninger, installationsomkostninger og vedligeholdelsesomkostninger over fem år. Den sulfid-forurenede sag forudsætter en udskiftning af varmeveksleren over fem år for aluminiumsbronzeenheden.
Når aluminiumsbronze er det bedre valg
Aluminium bronze er det bedre valg i flere specifikke applikationer.
Rent havvandsservice.Når havvandet er rent, og strømningshastigheden er under erosions-korrosionsgrænsen, giver aluminiumbronze fremragende ydeevne til en lavere kapitalomkostning.
Lav-hastighedstjeneste.Når strømningshastigheden er under 1,5 m/s, er erosion-korrosionsrisikoen lav, og aluminiumbronze er det bedre valg.
Plads-installationer.Når den tilgængelige plads er stærkt begrænset, kan den mindre aluminiumsbronzeenhed være den eneste mulige mulighed. PTFE-enheden ville kræve 5 gange overfladearealet, hvilket muligvis ikke passer ind i den tilgængelige plads.
Høj-trykstjeneste.Aluminiumsbronze har højere mekanisk styrke end PTFE og kan modstå højere tryk. Til havvandsservice ved tryk over 10 bar kan aluminiumbronze være den eneste brugbare mulighed.
Når PTFE er det bedre valg
PTFE er det bedre valg i flere specifikke applikationer.
Sulfid-forurenet havvand.PTFE er modstandsdygtig over for sulfid, mens aluminiumbronze angribes. Til havvandsservice i forurenede havne og flodmundinger er PTFE det bedre valg.
Høj-hastighedstjeneste.PTFE har ikke en erosion-korrosionsgrænse, hvilket gør den velegnet til drift ved høje strømningshastigheder.
Termisk cykelservice.PTFE har højere termisk stødmodstand end aluminiumsbronze, hvilket gør den velegnet til service med hyppige temperaturændringer.
Reparationsservice.PTFE varmevekslere kan repareres på stedet af en kvalificeret tekniker, hvilket reducerer nedetiden og produktionstabet.
Lang levetidskrav i forurenet havvand.Når havvandet er forurenet, og varmeveksleren forventes at have en levetid på 10 år eller mere, er PTFE det bedre valg, fordi det modstår det kemiske angreb over en længere periode.
Designfunktioner, der forlænger levetiden
Adskillige designfunktioner forlænger levetiden for både PTFE og aluminium bronze varmevekslere i havvandsservice.
Flowhastighedskontrol.Ved at holde strømningshastigheden under erosions-korrosionsgrænsen reduceres korrosionshastigheden af aluminiumbronze.
Sulfid overvågning.Overvågning af sulfidkoncentrationen i havvandet giver operatøren mulighed for at skifte til en anden kølekilde, hvis sulfidkoncentrationen stiger over tærsklen.
Katodisk beskyttelse.Offeranoder eller et imponeret strøm katodisk beskyttelsessystem kan reducere korrosionshastigheden af aluminiumbronze.
På-sted rengøringsmidler.Tilslutninger for rensevæsketilførsel og -retur gør det muligt at rengøre varmeveksleren uden demontering, hvilket reducerer nedetiden og produktionstabet.
Temperaturovervågning.Temperatursensorer ved varmevekslerens indgang og udgang gør det muligt at overvåge varmeoverførselsydelsen, hvilket muliggør tidlig detektering af tilsmudsning eller nedbrydning.
Specifikationsparametre for havvandsvarmeveksling
Udstyrsingeniører, der vurderer PTFE- og aluminiumbronzevarmevekslere til havvandsvarmeveksling, bør bekræfte følgende parametre med leverandøren.
Havvandskemi.Angiv chloridkoncentrationen, sulfidkoncentrationen og eventuelle andre forurenende stoffer.
Driftstemperatur.Angiv den maksimale driftstemperatur og den forventede temperaturprofil.
Strømningshastighed.Angiv den maksimale strømningshastighed og erosions-korrosionsgrænsen for aluminiumsbronzen.
Driftstryk.Angiv det maksimale driftstryk.
Varmebelastning og overfladeareal.Angiv varmebelastningen og det nødvendige overfladeareal for hver materialemulighed.
Pladsbegrænsninger.Angiv den tilgængelige plads og det maksimalt tilladte fodaftryk.
Vedligeholdelsesevne.Angiv anlæggets vedligeholdelsesevne, herunder muligheden for at reparere varmeveksleren på stedet.
Krav om levetid.Angiv den forventede levetid og udskiftningsplanen.
Matchende materialevalg til havvandsservicebetingelser
Valget mellem PTFE og aluminium bronze varmevekslere i havvands varmeveksling afhænger af havvandets kemi, strømningshastigheden, pladsbegrænsningerne og levetidskravet. Aluminiumsbronze har en højere termisk ledningsevne og kræver mindre overfladeareal, men den er modtagelig for erosion-korrosion og sulfidangreb. PTFE har en lavere varmeledningsevne og kræver mere overfladeareal, men det er modstandsdygtigt over for alle havvandsforurenende stoffer og strømningshastigheder.
Valgbeslutningen bør baseres på en facilitets-specifik analyse, der inkorporerer kapitalomkostningerne, installationsomkostningerne, vedligeholdelsesomkostningerne og eksponeringen for produktionstab. En simpel regnearksmodel med disse omkostningskomponenter giver de nødvendige oplysninger til at træffe beslutningen.
For havvandsvarmeveksleranlæg, der vurderer varmevekslermuligheder, bør materialevalget baseres på de samlede ejeromkostninger over den forventede levetid, ikke kun kapitalomkostningerne eller den termiske ydeevne. En aluminiumsbronzeenhed med en lavere kapitalomkostning kan have en højere levetidsomkostning, hvis havvandet er forurenet, og enheden kræver hyppig udskiftning.
Udstyrsingeniører og indkøbsspecialister, der vurderer PTFE-varmevekslerspecifikationer til havvandsvarmeveksling eller anden ætsende service, kan anmode om en designgennemgang, der dækker havvandskemi, driftstemperatur, flowhastighed, driftstryk og pladsbegrænsninger for at bekræfte, at materialevalget er afstemt med anlæggets faktiske serviceforhold og omkostningsstruktur.
