Легендарната устойчивост на корозия на титана е само половината от историята в морската вода; другата половина е безмилостното пясъчно-взривяване на суспендирани песъчинки и чистата сила на високо{1}}скоростната вода на входа на тръбата, която може да разяде тънкия титанов оксид по-бързо, отколкото той да израсне отново. В топлообменниците с морска вода животът на тръбата се определя не само от химията, но и от хидродинамиката, турбулентността и абразивната енергия, пренасяна от потока течност.
В рамките на инженерното предизвикателство натитаниева тръба дебелина на стената ерозия корозия морска вода, правилната стена на тръбата се избира чрез балансиране на изискванията за ограничаване на налягането с дългосрочна устойчивост на ерозия-.
Защо титанът се представя толкова добре в морска вода
Титанът образува изключително стабилен и -самовъзстановяващ се оксиден филм, когато е изложен на кислородна морска вода. Този пасивен слой осигурява забележителна устойчивост срещу:
Хлоридна корозия
Питинг
Атака на пукнатини
Разграждане,-свързано с биообрастване
При обслужване с чиста морска вода титаниевите тръби рутинно постигат десетилетия работа с незначителна обща корозия.
Ограничението е механичното износване
Въпреки че оксидният филм е химически здрав, той остава физически тънък. Висящите пясъчни частици и високо{1}}скоростната турбуленция могат механично да износят защитната повърхност по-бързо, отколкото тя да се преформира при тежки условия на поток.
Този процес е известен като ерозия-корозия.
Проблемът става най-тежък при:
Тръбни входове
Региони с висока{0}}турбулентност
Зони на възпрепятстване на потока
Зони след лактите или ограниченията
Системи за морска вода, пренасящи суспендирани твърди вещества
Поради тази причина дебелината на стената на топлообменната тръба трябва да отчита както структурните изисквания, така и -свързаните с износването изисквания.
Дебелината на налягането е на първо място
Отправната точка за избор на стена на тръбата е минималната дебелина, изисквана от кодовете за проектиране на съдове под налягане.
Изисквания на ASME и TEMA
Базираната-минимална дебелина на стената на налягането обикновено се определя чрез:
ASME Раздел VIII
TEMA стандарти
Приложими клиентски спецификации
Проектно налягане и температурни условия
Изчислението гарантира, че тръбата може безопасно да издържи:
Вътрешно налягане
Външен натиск
Механично натоварване
Топлинни напрежения
Вибрационни сили
Тази изчислена стойност установява структурната минимална дебелина, преди да се добави каквото и да е ерозионно разрешение.
Ерозия-Допускане на корозия при обслужване на морска вода
След като се установи изискването за налягане, може да се добави допълнителна дебелина на стената, за да се отчете дългосрочното-механично износване от течаща морска вода.
Условия за чиста морска вода
В относително чиста морска вода с умерени скорости под приблизително:
v<2 m/sv < 2\ \mathrm{m/s}v<2 m/s
филмът от титанов оксид остава много стабилен.
При тези условия:
Степента на ерозия е изключително ниска
Допълнителното допустимо ниво на корозия може да е незначително
Често са достатъчни стандартните графици на стените на тръбите
Титанът се представя изключително добре в тези среди, тъй като пасивният филм непрекъснато се възстановява след незначително разрушаване на повърхността.
Пясък{0}}морската вода изисква допълнителна дебелина
Ситуацията се променя значително, когато има суспендирани твърди вещества.
Ефектът на пясъчните частици
Пясъчните частици действат като микроскопични абразивни снаряди, които удрят стената на тръбата с висока скорост. Повтарящите се удари постепенно износват оксидния филм и премахват малки количества неблагороден метал под него.
Тази ерозия е най-агресивна там, където потокът първо влиза в тръбата, тъй като интензитетът на турбулентността и скоростта на частиците са най-високи във входната област.
При тези услуги обикновено се добавя допълнителна надбавка за стена над минималното налягане.
Типична допълнителна надбавка
За морска вода, съдържаща увлечен пясък или прахови частици, добавена дебелина на стената от приблизително:
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
често се посочва.
Този допълнителен материал компенсира постепенното механично износване през експлоатационния живот на топлообменника.
Тръбата носи малко по-дебела броня там, където пясъчната буря удря най-агресивно.
Типичен избор на минимална стена на тръбата
За много приложения на обменник на морска вода практическите минимални дебелини на стената започват около:
t По-голямо или равно на 0,7 mmt \\geq 0,7\\ \\mathrm{mm}t По-голямо или равно на 0,7 mm
в зависимост от:
Диаметър на тръбата
Проектно налягане
Скорост на потока
Концентрация на пясък
Очакван експлоатационен живот
Философия на поддръжката
Тази дебелина често осигурява приемлив баланс между:
Структурна надеждност
Ефективност на топлообмен
Технологичност
Устойчивост на ерозия
По-тънките стени леко подобряват термичните характеристики, но намаляват толерантността към ерозия и повреди при работа.
Защита на входната зона на тръбата
Входът на тръбата обикновено е най-уязвимото място в топлообменника.
Защо ерозията на входа е тежка
Когато морската вода навлезе в тръбния сноп, интензитетът на турбуленцията се повишава рязко. Пясъчните частици се удрят в стената под променящи се ъгли, докато локализираното ускорение на потока увеличава енергията на удара.
Това създава концентрирано износване близо до първите няколко сантиметра от дължината на тръбата.
Двойно{0}}дебели краища на тръбите
За да се подобри издръжливостта, някои проекти на топлообменници определят:
Двойно{0}}дебели краища на тръби
Подсилени входни секции
Къси заварени входящи втулки
По-тежки-стенни входни вложки
В някои конфигурации къса секция от по-дебела титаниева тръба е заварена към входния край, за да абсорбира щетите от ерозия, като същевременно запазва по-тънките тръби в останалата част на обменника.
Тази стратегия намалява общите разходи за материали, като същевременно укрепва най-{0}}рисковата област.
Насоки за скоростта и препоръки на индустрията
Скоростта на потока играе централна роля в поведението при ерозия-корозия.
Препоръчителни граници на скоростта
Организации като Института по никел и различни насоки за инженеринг на морска вода публикуват препоръчителни диапазони на скорост въз основа на:
Концентрация на пясък
Размер на частиците
Режим на потока
Материал на тръбата
Геометрия на системата
Типичните насоки се стремят да поддържат скорости под нивата, където ударът на частици става прекалено агресивен.
Въпреки че титанът понася по-високи скорости от много сплави на-базирана на мед, прекомерната турбуленция, съчетана с натоварване с пясък, все още може да ускори износването при дълги работни периоди.
Балансиране на топлинна производителност и издръжливост
Увеличаването на дебелината на стената на тръбата леко намалява ефективността на топлопреноса, тъй като термичното съпротивление нараства с дебелината на стената.
Въпреки това, нарушението на проводимостта обикновено е умерено в сравнение с оперативния риск от преждевременна повреда на тръбата.
Инженерният компромис-
Следователно изборът на стена на тръбата се превръща в баланс между:
| Дизайн цел | Влияние върху дебелината |
|---|---|
| Ефективност на топлообмен | Предпочита по-тънки стени |
| Устойчивост на ерозия | Предпочита по-дебели стени |
| Структурна цялост | Предпочита по-дебели стени |
| Намаляване на разходите | Предпочита оптимизирана дебелина |
| Дълъг експлоатационен живот | Благоприятства надбавката за ерозия |
В повечето системи за морска вода дългосрочната-надеждност превъзхожда незначителното топлинно наказание, свързано с малко по-дебели тръби.
Заключение
Дебелината на стената на титанова топлообменна тръба не се определя само от изчисления на налягането. Това е внимателно разработена променлива, която също така включва допускане на ерозия-корозия, причинена от течаща морска вода и суспендирани пясъчни частици.
Чистата морска вода при умерени скорости може да изисква малко или никакво допълнително количество, но условията,-натоварени с пясък, често оправдават добавянето на 0,2 до 0,3 mm над-въз основа на налягането минимална дебелина на стената. Подсилените входни секции и двойно-дебелите краища на тръбите осигуряват допълнителна защита там, където турбуленцията и ударът на частици са най-тежки.
Чрез комбиниране на структурните изисквания на ASME и TEMA с практически допуски за ерозия, титаниевите обменни тръби могат да постигнат изключително дълъг експлоатационен живот в сурови морски среди. В инженерството на топлинни системи един милиметър метал може лесно да означава десетилетие допълнителен експлоатационен живот.
