Устройствата за десулфуризация на димни газове (FGD) в електроцентрали, захранвани с въглища, използват повторни нагреватели, за да повишат температурата на пречистените димни газове, преди да постъпят в комина. Титанът е избраният материал поради устойчивостта му на корозия в кисела среда, богата на-хлориди. Въпреки това димните газове на FGD съдържат частици летлива пепел-с ъглова форма, твърди (главно силициев диоксид и алуминиев оксид), с размери, вариращи от 1 до 100 µm. Тези частици се движат с газа със скорости 15–25 m/s. Когато газовият поток срещне извивка в титановата тръба, по-тежките частици не могат да променят посоката си толкова бързо, колкото газът. Те продължават по първоначалната си траектория, удряйки стената на тръбата по външния радиус на завоя. Това въздействие на частиците причинява ерозия, за предпочитане премахване на материала от горната страна на завоя. С течение на времето изтъняването на стените води до перфорация и изтичане на димни газове или кондензат.

Механизъм на ерозия на летлива пепел при огъване на тръби

Механизмът на ерозия е комбинация от ударно износване и рязане. Частиците летяща пепел удрят титанова повърхност под ъгли обикновено 20-50 градуса спрямо допирателната на повърхността. Титанът, макар и здрав, има относително ниска твърдост (180–220 HV за клас 2) в сравнение със силициев диоксид (приблизително 1200 HV). Всеки удар на частица измества малък обем титан-от порядъка на 1–10 µm³ за частица от 20 µm при 20 m/s. Скоростта на ерозия следва степенен закон: Ерозия ∝ (V)^n × (d)^m × (концентрация на частици), където V е скорост, d е диаметър на частиците, n е приблизително 2,3 за титан и m е приблизително 2,0. При завои ефективната скорост на удара е по-висока от обемната скорост на газа поради ускорението на частиците около кривата. Горната страна на тръбата получава най-висока плътност на удари, тъй като частиците все още не са били отклонени от предишни сблъсъци.

Количествени скорости на ерозия при различни места на огъване

Полевите измервания и лабораторните тестове (20 m/s скорост на газа, 50 mg/m³ летлива пепел, 20 µm среден размер на частиците) са установили следните скорости на ерозия за титан от клас 2:

Прав тръбен участък, равномерен поток: Скорост на ерозия от 0,05–0,10 mm на година. Отстраняването на материала е относително равномерно около обиколката. Приемливо за 10–15 години живот с дебелина на стената 1,5 mm.

Огънете външния радиус, 90 градусов лакът, страната нагоре по течението: Скорост на ерозия от 0,6–1,2 mm на година. Максималната загуба на стената възниква в точката, където траекторията на частиците за първи път контактува с тръбата. Локализираното изтъняване може да перфорира стена от 1,5 mm в рамките на 1-2 години.

Външен радиус на огъване, страна надолу по течението (след удар): Скорост на ерозия от 0,2–0,4 mm на година. Частиците са загубили кинетична енергия след първоначалния удар. Вторичната ерозия все още е значителна.

Вътрешен радиус на огъване (intrados): Скорост на ерозия от 0,02–0,05 mm на година. По-ниска плътност на удара на частиците. Обикновено защитен от газовия граничен слой.

Множество завои в серия (напр. серпентинен подгревател): Степента на ерозия се увеличава с 20–50% при всяко следващо огъване, тъй като частиците стават по-ъглови и агресивни след първоначалните удари.

Ръководство за смекчаване на ерозията и избор на дизайн

Следващата таблица предоставя рамка за вземане на решения за управление на ерозията на летлива пепел при огъвания на титанови тръби въз основа на натоварването на частиците и скоростта на газа:

Инженерство отвъд устойчивостта на ерозия

Степента на титанова сплав влияе върху устойчивостта на ерозия. Клас 7 (стабилизиран с паладий) има сходна твърдост (180–220 HV) и скорост на ерозия като клас 2. Степен 12 (молибден-никел) е малко по-твърд (200–240 HV) и намалява ерозията с 15–20%. Повърхностните обработки могат да подобрят устойчивостта на ерозия: азотирането произвежда TiN повърхностен слой (500–800 HV), който намалява ерозията със 70–80%, но добавя разходи. Дебелината на стената на тръбата при завои трябва да бъде увеличена над изискването за прав участък. Типичен дизайн използва 1,5 mm стена за прави участъци и 2,5 mm стена за външни радиуси на огъване. Геометрията на огъване е критична: завоите с дълъг-радиус (R=5D) изпитват 50% по-ниска ерозия от стандартните{25}}огъвания с радиус (R=1.5D). Моделът на газовия поток може да се модифицира с въртящи се лопатки нагоре по течението на завоите, за да се пренасочат частиците далеч от външния радиус.

Създаване на информирана спецификация

Когато определяте титаниева тръба за пренагревател за FGD услуга с летлива пепел, идентифицирайте всички завои в пътя на газа. За всяко огъване посочете увеличена дебелина на стената (2,0–2,5 mm) по външния радиус, или чрез използване на безшевна огъната тръба с по-дебела стена, или чрез прилагане на заваръчен слой от титанов или волфрамов карбид от страната нагоре. Поискайте моделиране с изчислителна динамика на флуидите (CFD) на траектории на частици през пренагревателя, за да идентифицирате зони с висока-ерозия. По време на работа извършвайте ежегодно ултразвуково изследване на дебелината на външните радиуси на огъване. Установете критичен праг на дебелината на стената (напр. оставащи 0,8 mm), при който тръбата трябва да бъде заменена или ремонтирана. За нови инсталации посочете минимален радиус на огъване 3D (три пъти външния диаметър на тръбата). Ако ограниченията в пространството изискват плътни завои (R=1.5D), изисквайте покритие от волфрамов карбид или сменяеми износващи се втулки. Като обръща внимание на преференциалната ерозия при завоите като отделно съображение при проектирането, инженерът удължава експлоатационния живот на титаниевите FGD нагреватели от 1–2 години на 10–15 години в потоци димни газове, натоварени с-пепел-.