Как да изберем правилната дебелина на стената за титанова обменна тръба въз основа на ерозия-корозия в течаща морска вода?

Безмилостното пясъкоструене на суспендирани песъчинки и чистата сила на високо{0}}скоростната вода при входа на тръбата могат да разрушат тънкия титанов оксид по-бързо, отколкото той да израсне отново, което прави легендарната устойчивост на корозия на титана в морска вода само половината от историята. В допълнение към химията, хидродинамиката, турбуленцията и абразивната енергия, доставяна от флуидния поток, влияят върху живота на тръбите в топлообменниците с морска вода.

В рамките на техническия проблем с ерозията на дебелината на стената на титановата тръба, изветряща от морската вода, правилната стена на тръбата се избира чрез балансиране на нуждите от задържане на налягането с дългосрочна-устойчивост на ерозия.

Защо титанът се представя толкова добре в морска вода
Когато титанът е изложен на кислородна солена вода, той създава невероятно стабилно и само{0}}възстановяващо се оксидно покритие. Този пасивен слой осигурява изключителна устойчивост срещу:

Хлоридна корозия

Питинг

Атака на пукнатини

Влошаване,-свързано с биологично обрастване

При обслужване с чиста морска вода титаниевите тръби често работят десетилетия без обща корозия.

Ограничението е механичното износване
Въпреки че оксидният филм е химически силен, той остава физически тънък. Висящите пясъчни частици и високо{1}}скоростната турбуленция могат механично да повредят защитната повърхност по-бързо, отколкото тя да се преформира при тежки условия на поток.

Ерозия-корозия е терминът за този процес.

Проблемът се влошава при:

Входове за тръби

Зони с висока турбулентност

Зони на въздействие на потока

Зони след лактите или ограниченията

Системи с морска вода, съдържащи суспендирани седименти

Поради тази причина дебелината на стената на топлообменната тръба трябва да отчита както структурните, така и критериите,-свързани с износването.

Първо, дебелина на налягането
Отправната точка при избора на стената на тръбата е минималната дебелина, необходима според разпоредбите за проектиране на съдове под налягане.

Изисквания на ASME и TEMA
Обикновено базираната на налягане-минимална дебелина на стената се изчислява, като се използва:

ASME Раздел VIII

стандарти TEMA

Приложими клиентски спецификации

Проектно налягане и температурни условия

Изчислението гарантира, че тръбата може да издържи:

Вътрешна сила

Натиск отвън

Зареждане с помощта на механични средства

Топлинни напрежения

Силите на вибрациите

Структурната минимална дебелина се определя от тази изчислена стойност преди добавянето на каквито и да е допуски за ерозия.

Надбавка за ерозия и корозия в услугите за морска вода
След като стане известно изискването за налягане, може да се добави допълнителна дебелина на стената, за да се приспособи към дългосрочно-механично износване от течаща морска вода.

Условия за чиста морска вода
В сравнително чиста солена вода с умерени скорости под приблизително:

v<2 m/sv < 2\ \mathrm{m/s}v<2 m/s

Филмът от титанов оксид все още е много стабилен.

При тези обстоятелства:

Има много малка ерозия.

Допълнителното допустимо ниво на корозия може да е незначително

Стандартните графици на стените на тръбите обикновено са достатъчни

Тъй като пасивното покритие на титана непрекъснато се възстановява след леко разрушаване на повърхността, титанът се представя забележително добре при тези условия.

Пясък{0}}морската вода изисква допълнителна дебелина
Наличието на суспендирани твърди частици драстично променя сценария.

Въздействие на пясъчни частици
Пясъчните частици се държат като микроскопични абразивни снаряди, които удрят стената на тръбата с висока скорост. Повтарящите се удари постепенно разяждат оксидния филм и премахват малки количества неблагороден метал под него.

Тази ерозия е по-агресивна там, където потокът първо навлиза в тръбата, тъй като интензитетът на турбулентността и скоростта на частиците са най-високи в областта на всмукване.

Над минималното налягане в тези услуги често се добавя допълнителен толеранс на стената.

Средна допълнителна надбавка
Допълнителна дебелина на стената от приблизително следното за морска вода, която съдържа увлечен пясък или частици:

0,2 mm По-малко или равно на Δt По-малко или равно на 0,3 mm0,2\\ \\mathrm{mm} \\leq \\Delta t \\leq 0,3\\ \\mathrm{mm}0,2 mm По-малко или равно на Δt По-малко или равно на 0,3 mm

обикновено се определя.

По време на експлоатационния живот на топлообменника този допълнителен материал компенсира прогресивното механично износване.

Там, където пясъчната буря удря най-силно, тръбата има малко по-дебел слой броня.

Типичен избор на минимални тръбни стени
Практическите минимални дебелини на стените за различни приложения на обменник за морска вода започват от:

t По-голямо или равно на 0,7 mmt \\geq 0,7\\ \\mathrm{mm}t По-голямо или равно на 0,7 mm

въз основа на:

Диаметър на тръбата

Проектно налягане

скорост на потока

концентрация на пясък

Очаквана продължителност на живота

Философията на поддръжката

Тази дебелина често осигурява добър компромис между:

Структурна надеждност

Ефективност на преноса на топлина

Производствена способност

Устойчивост на ерозия

Въпреки че по-тънките стени имат незначително подобрение в топлинните характеристики, те са по-малко устойчиви на повреди и ерозия.

Защита на зоната на входа на тръбата
Най-уязвимата част на топлообменника обикновено е входът на тръбата.

Защо има сериозна ерозия на входа
Тъй като морската вода навлиза в тръбния сноп, силата на турбулентност нараства значително. Докато локализираното ускорение на потока увеличава енергията на удара, пясъчните частици се удрят в стената под различни ъгли.

Това генерира концентрирано износване близо до първите няколко сантиметра от дължината на тръбата.

Краища на двойно{0}}дебели тръби
Някои дизайни на топлообменници включват следното за увеличаване на издръжливостта:

Двойно{0}}дебели краища на тръби

Подсилени входни секции

Къси заварени входящи втулки

Вложки за по-тежки стени

При някои конструкции кратък сегмент от по-дебела титаниева тръба е заварен към входния край, за да абсорбира щетите от ерозия, като същевременно запазва по-тънките тръби в останалата част на обменника.

Тази тактика укрепва най-уязвимото място, като същевременно намалява общите разходи за материали.

Насоки за скорост и предложения за индустрията
Скоростта на потока играе решаваща роля в поведението при ерозия-корозия.

Препоръчителни граници на скоростта
Организации като Института по никел и многобройни инженерни препоръки за морска вода предоставят предложени диапазони на скорост в зависимост от:

концентрация на пясък

Размер на частиците

режим на потока

Материал за тръби

Геометрия на системата

Типичните насоки имат за цел да поддържат скорости под нивата, при които ударът на частици става неоправдано силен.

При продължително време на работа прекомерната турбуленция, комбинирана с натоварване с пясък, може да ускори износването, въпреки че титанът може да издържи на по-високи скорости от много сплави на-базирана на мед.

Топлинна производителност и издръжливост в баланс
Тъй като термичното съпротивление нараства с дебелината на стената, увеличаването на дебелината на стената на тръбата незначително намалява ефективността на топлопредаване.

Въпреки това, когато се претегли спрямо оперативния риск от ранна повреда на тръбата, нарушението на проводимостта обикновено е незначително.

Компромисът-в инженерството
Следователно изборът на стена на тръбата се превръща в баланс между:

Влияние на целта на дизайна върху дебелината
Ефективността на преноса на топлина предпочита стени, които са по-тънки
Устойчивост на ерозия Предпочита по-дебели стени
Структурна цялост Предпочита по-дебели стени
Намаляване на разходите Благоприятства оптималната дебелина
Удълженият експлоатационен живот позволява влошаване
В повечето системи с морска вода дългосрочната-надеждност надвишава малкото топлинно наказание, свързано с малко по-дебели тръби.

В заключение
Има и други фактори, освен оценките на налягането, които влияят върху дебелината на стената на титановата обменна тръба. Това е внимателно разработена променлива, която също така включва допускане на ерозия-корозия, причинена от течаща морска вода и суспендирани пясъчни частици.

Докато условията, пълни с пясък, често оправдават добавянето на 0,2 до 0,3 mm над минималната дебелина на стената-на базата на налягането, чистата солена вода при умерени скорости може да изисква малък или никакъв допълнителен толеранс. Подсилените входни части и двойно-дебелите краища на тръбите осигуряват допълнителна защита там, където турбуленцията и ударът на частици са най-тежки.

Чрез комбиниране на структурните стандарти ASME и TEMA с практически допуски за ерозия, титаниевите обменни тръби могат да постигнат изключително дълъг експлоатационен живот в тежка морска среда. В инженерството на топлинни системи един милиметър метал може потенциално да означава десетилетие увеличен експлоатационен живот.