چگونه می توان ضخامت دیواره مناسب را برای لوله مبدل تیتانیوم بر اساس فرسایش-خوردگی در جریان آب دریا انتخاب کرد؟

مقاومت افسانه ای تیتانیوم در برابر خوردگی تنها نیمی از داستان در آب دریا است. نیمه دیگر شن و ماسه بی امان-ماسه معلق و نیروی محض-آب با سرعت بالا در ورودی لوله است که می تواند اکسید تیتانیوم نازک را سریعتر از آن که بتواند دوباره رشد کند فرسایش می دهد. در مبدل های حرارتی آب دریا، عمر لوله نه تنها توسط شیمی تعیین می شود، بلکه توسط هیدرودینامیک، تلاطم و انرژی سایشی حمل شده توسط جریان سیال نیز تعیین می شود.

در چالش مهندسی ازضخامت دیواره لوله تیتانیوم فرسایش خوردگی آب دریا، دیواره لوله صحیح با متعادل کردن الزامات مهار فشار با مقاومت فرسایشی طولانی مدت انتخاب می شود.

چرا تیتانیوم در آب دریا بسیار خوب عمل می کند؟

تیتانیوم هنگامی که در معرض آب اکسیژنه دریا قرار می گیرد، یک لایه اکسیدی بسیار پایدار و خود ترمیمی-می سازد. این لایه غیرفعال مقاومت قابل توجهی در برابر:

خوردگی کلرید

سوراخ کردن

حمله شکاف

تخریب مربوط به رسوب زیستی-

در سرویس آب دریا تمیز، لوله‌های تیتانیوم به طور معمول چندین دهه با خوردگی عمومی ناچیز کار می‌کنند.

محدودیت سایش مکانیکی است

اگرچه فیلم اکسید از نظر شیمیایی قوی است، اما از نظر فیزیکی نازک باقی می ماند. ذرات معلق ماسه و تلاطم با سرعت بالا-می توانند به طور مکانیکی سطح محافظ را سریعتر از اصلاح آن در شرایط جریان شدید ساییده کنند.

این فرآیند به عنوان فرسایش{0}}خوردگی شناخته می‌شود.

مشکل در موارد زیر شدیدتر می شود:

ورودی های لوله

مناطق{0}}آشفتگی بالا

مناطق برخورد جریان

نواحی پایین دست آرنج یا محدودیت ها

سیستم های آب دریا که مواد جامد معلق را حمل می کنند

به همین دلیل، ضخامت دیواره لوله مبدل باید هم ساختاری و هم نیازهای مربوط به سایش را در نظر بگیرد.

ضخامت فشار حرف اول را می زند

نقطه شروع برای انتخاب دیواره لوله حداقل ضخامت مورد نیاز توسط کدهای طراحی مخازن تحت فشار است.

الزامات ASME و TEMA

حداقل ضخامت دیوار بر اساس فشار-معمولاً با استفاده از:

ASME بخش هشتم

استانداردهای TEMA

مشخصات مشتری قابل اجرا

شرایط فشار و دما طراحی

محاسبه تضمین می کند که لوله می تواند با خیال راحت مقاومت کند:

فشار داخلی

فشار خارجی

بارگذاری مکانیکی

تنش های حرارتی

نیروهای ارتعاشی

این مقدار محاسبه شده حداقل ضخامت سازه را قبل از افزودن هر گونه اجازه فرسایش تعیین می کند.

فرسایش-مجوز خوردگی در سرویس آب دریا

هنگامی که فشار مورد نیاز تعیین شد، ممکن است ضخامت دیواره اضافی برای در نظر گرفتن سایش مکانیکی طولانی مدت از جریان آب دریا اضافه شود.

شرایط آب دریا تمیز

در آب دریا نسبتاً تمیز با سرعتهای متوسط ​​زیر تقریباً:

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

فیلم اکسید تیتانیوم بسیار پایدار است.

تحت این شرایط:

نرخ فرسایش بسیار پایین است

کمک هزینه خوردگی اضافی ممکن است ناچیز باشد

برنامه های استاندارد دیوار لوله اغلب کافی است

تیتانیوم در این محیط‌ها عملکرد فوق‌العاده‌ای دارد، زیرا فیلم غیرفعال به طور مداوم پس از شکستگی جزئی سطح خود را ترمیم می‌کند.

ماسه-آب دریای لادن به ضخامت بیشتری نیاز دارد

وقتی مواد جامد معلق وجود داشته باشند، وضعیت به طور قابل توجهی تغییر می کند.

اثر ذرات شن و ماسه

ذرات شن و ماسه به عنوان پرتابه های ساینده میکروسکوپی عمل می کنند که با سرعت بالا به دیواره لوله برخورد می کنند. ضربه های مکرر به تدریج لایه اکسیدی را می پوشاند و مقادیر کمی از فلز پایه زیر آن را حذف می کند.

این فرسایش در جایی که جریان ابتدا وارد لوله می شود تهاجمی ترین است زیرا شدت آشفتگی و سرعت ذرات در ناحیه ورودی بالاترین میزان است.

در این خدمات معمولاً یک دیوار اضافی بیشتر از حداقل فشار اضافه می شود.

کمک هزینه اضافی معمولی

برای آب دریا که حاوی ماسه یا ذرات معلق است، ضخامت دیواره اضافه شده تقریباً:

0.2 mm کمتر یا مساوی Δt کمتر یا مساوی 0.3 mm0.2\\ \\mathrm{mm} \\leq \\Delta t \\leq 0.3\\ \\mathrm{mm}0.2 mm کمتر یا مساوی Δt کمتر یا مساوی 0.3 mm

اغلب مشخص می شود.

این ماده اضافی، سایش تدریجی مکانیکی را در طول عمر مبدل جبران می کند.

این لوله پوشش زرهی ضخیم‌تری دارد که طوفان شن شدیدترین نقطه را به خود می‌گیرد.

حداقل انتخاب دیوار لوله معمولی

برای بسیاری از کاربردهای مبدل آب دریا، حداقل ضخامت دیواره عملی از حدود زیر شروع می شود:

t بزرگتر یا مساوی 0.7 mmt \\geq 0.7\\ \\mathrm{mm}t بزرگتر یا مساوی 0.7 میلی متر

بسته به:

قطر لوله

فشار طراحی

سرعت جریان

غلظت شن و ماسه

طول عمر مورد انتظار

فلسفه تعمیر و نگهداری

این ضخامت اغلب تعادل قابل قبولی بین:

قابلیت اطمینان سازه

راندمان انتقال حرارت

قابلیت ساخت

مقاومت در برابر فرسایش

دیوارهای نازک‌تر عملکرد حرارتی را اندکی بهبود می‌بخشند، اما تحمل در برابر فرسایش و آسیب‌های ناشی از حمل و نقل را کاهش می‌دهند.

حفاظت از منطقه ورودی لوله

ورودی لوله معمولاً آسیب پذیرترین مکان در مبدل است.

چرا فرسایش ورودی شدید است

با ورود آب دریا به بسته لوله، شدت تلاطم به شدت افزایش می یابد. ذرات شن با تغییر زوایای به دیوار برخورد می کنند در حالی که شتاب جریان موضعی انرژی ضربه را افزایش می دهد.

این باعث ایجاد سایش متمرکز در نزدیکی چند سانتی متر اول طول لوله می شود.

دو-انتهای لوله ضخیم

برای بهبود دوام، برخی از طرح های مبدل مشخص می کنند:

انتهای لوله دو ضخیم-

مقاطع ورودی تقویت شده

آستین های ورودی جوش داده شده کوتاه

درزهای ورودی دیوار سنگین‌تر-

در برخی از پیکربندی‌ها، یک بخش کوتاه از لوله تیتانیوم ضخیم‌تر به انتهای ورودی جوش داده می‌شود تا آسیب‌های فرسایشی را جذب کند و در عین حال لوله نازک‌تری را در سرتاسر باقی‌مانده مبدل حفظ کند.

این استراتژی هزینه کل مواد را کاهش می دهد و در عین حال بالاترین-خطر منطقه را تقویت می کند.

دستورالعمل های سرعت و توصیه های صنعت

سرعت جریان در رفتار خوردگی{0}فرسایش نقش اساسی دارد.

محدودیت های سرعت توصیه شده

سازمان‌هایی مانند موسسه نیکل و دستورالعمل‌های مختلف مهندسی آب دریا محدوده‌های سرعت توصیه شده را بر اساس:

غلظت شن و ماسه

اندازه ذرات

رژیم جریان

مواد لوله

هندسه سیستم

راهنمایی معمولی به دنبال حفظ سرعت پایین تر از سطوحی است که برخورد ذرات بیش از حد تهاجمی می شود.

اگرچه تیتانیوم نسبت به بسیاری از آلیاژهای{0} مبتنی بر مس، سرعت‌های بالاتری را تحمل می‌کند، اما آشفتگی بیش از حد همراه با بارگیری شن و ماسه همچنان می‌تواند سایش را در دوره‌های عملیاتی طولانی تسریع کند.

متعادل کردن عملکرد حرارتی و دوام

افزایش ضخامت دیواره لوله کمی عملکرد انتقال حرارت را کاهش می دهد زیرا مقاومت حرارتی با ضخامت دیوار افزایش می یابد.

با این حال، جریمه هدایت به طور کلی در مقایسه با خطر عملیاتی شکست زودرس لوله، متوسط ​​است.

تجارت مهندسی-خاموش است

بنابراین انتخاب دیواره لوله تعادلی بین:

در اکثر سیستم‌های آب دریا،-قابلیت اطمینان طولانی‌مدت بیشتر از جریمه حرارتی جزئی مرتبط با لوله‌های کمی ضخیم‌تر است.

نتیجه گیری

ضخامت دیواره لوله مبدل تیتانیوم تنها با محاسبات فشار تعیین نمی شود. این متغیری است که به دقت مهندسی شده است و همچنین دارای مجوز برای فرسایش-خوردگی ناشی از جریان آب دریا و ذرات شن معلق است.

آب دریای تمیز با سرعت متوسط ​​ممکن است به مقدار کمی یا بدون نیاز اضافی نیاز داشته باشد، اما شرایط ماسه{0}}اغلب اضافه کردن 0.2 تا 0.3 میلی متر بالاتر از حداقل ضخامت دیوار بر اساس فشار{3}}را توجیه می کند. بخش‌های ورودی تقویت‌شده و انتهای لوله‌های ضخیم دوگانه، در جایی که تلاطم و برخورد ذرات شدیدتر است، محافظت بیشتری ایجاد می‌کنند.

با ترکیب الزامات ساختاری ASME و TEMA با مزایای فرسایش عملی، لوله‌های مبدل تیتانیوم می‌توانند به عمر عملیاتی فوق‌العاده طولانی در محیط‌های خشن دریایی دست یابند. در مهندسی سیستم های حرارتی، یک میلی متر فلز به راحتی می تواند به معنای یک دهه عمر اضافی باشد.