Hvordan velge riktig veggtykkelse for et titanutvekslerrør basert på erosjon-Korrosjon i rennende sjøvann?

Den vedholdende sandblåsingen av suspendert grus og den rene kraften fra vann med høy-hastighet ved rørinntaket kan erodere det tynne titanoksidet bort raskere enn det kan vokse ut igjen, noe som gjør titans sagnomsuste motstand mot korrosjon i sjøvann bare halve historien. I tillegg til kjemi, påvirker hydrodynamikk, turbulens og den slipende energien som leveres av væskestrømmen alle rørlevetiden i sjøvannsvarmevekslere.

Innenfor det tekniske problemet med veggtykkelse av titanrørs erosjon som forvitrer sjøvann, velges riktig rørvegg ved å balansere behov for trykkbegrensning med langsiktig erosjonsmotstand.

Hvorfor titan fungerer så godt i sjøvann
Når titan utsettes for oksygenert saltvann, skaper det et utrolig stabilt og selvhelbredende oksidbelegg. Dette passive laget gir enestående motstand mot:

Kloridkorrosjon

Pitting

Sprekkeangrep

Biobegroing-relatert forringelse

I rent sjøvann utfører titanrør ofte flere tiår med drift uten generell korrosjon.

Begrensningen er mekanisk slitasje
Selv om oksidfilmen er kjemisk sterk, forblir den fysisk tynn. Suspenderte sandpartikler og turbulens med høy-hastighet kan mekanisk skade den beskyttende overflaten raskere enn den omdannes under strenge strømningsforhold.

Erosjon-korrosjon er betegnelsen på denne prosessen.

Problemet blir verre ved:

Inntak for rør

Områder med høy turbulens

Soner med strømningspåvirkning

Områder nedstrøms albuer eller restriksjoner

Sjøvannssystemer som inneholder suspenderte sedimenter

Av den grunn må vekslerrørets veggtykkelse ta hensyn til både strukturelle og slitasjerelaterte-kriterier.

Først trykktykkelse
Utgangspunktet for valg av rørvegg er minimumstykkelsen som kreves av forskrifter for trykkbeholderdesign.

ASME- og TEMA-krav
Vanligvis beregnes den trykkbaserte- minste veggtykkelsen ved å bruke:

ASME Seksjon VIII

TEMA-standarder

Gjeldende kundespesifikasjoner

Designtrykk og temperaturforhold

Beregningen garanterer at røret tåler:

Intern kraft

Press utenfra

Lasting ved hjelp av mekaniske midler

Termiske påkjenninger

Vibrasjonskrefter

Den strukturelle minimumstykkelsen bestemmes av denne beregnede verdien før tillegg av eventuelle erosjonstillegg.

Godtgjørelse for erosjon og korrosjon i sjøvannstjenester
Når trykkkravet er kjent, kan ytterligere veggtykkelse legges til for å imøtekomme langvarig-mekanisk slitasje fra rennende sjøvann.

Rent sjøvannsforhold
I relativt rent saltvann med moderate hastigheter under omtrent:

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

Filmen av titanoksid er fortsatt veldig stabil.

I disse omstendighetene:

Det er veldig lite erosjon.

Ytterligere korrosjonstillegg kan være ubetydelig

Standard rørveggplaner er generelt tilstrekkelige

Fordi titans passive belegg kontinuerlig reparerer seg selv etter små overflateforstyrrelser, yter titan bemerkelsesverdig godt under disse forholdene.

Sand-Latet sjøvann krever ekstra tykkelse
Tilstedeværelsen av suspenderte faste stoffer endrer scenariet drastisk.

Sandpartiklers påvirkning
Sandpartikler oppfører seg som mikroskopiske slipende prosjektiler som påvirker rørveggen i høy hastighet. Gjentatte støt eroderer gradvis oksidfilmen og fjerner små mengder uedelt metall under den.

Denne erosjonen er mer aggressiv der strømmen først kommer inn i røret fordi turbulensintensiteten og partikkelhastigheten er høyest ved inntaksområdet.

Over trykkminimum legges det ofte til en ekstra veggtoleranse i disse tjenestene.

Gjennomsnittlig ekstragodtgjørelse
En ekstra veggtykkelse på omtrent følgende for sjøvann som inneholder medført sand eller partikkelmateriale:

0,2 mm Mindre enn eller lik Δt Mindre enn eller lik 0,3 mm0,2\\ \\mathrm{mm} \\leq \\Delta t \\leq 0,3\\ \\mathrm{mm}0,2 mm Mindre enn eller lik Δt Mindre enn eller lik 0,3 mm

er vanligvis spesifisert.

I løpet av vekslerens levetid veier dette ekstra materialet opp for progressiv mekanisk forringelse.

Der sandstormen slår kraftigst inn, har røret en litt tykkere rustning.

Typisk utvalg av minimumsrørvegger
Praktiske minimums veggtykkelser for ulike bruksområder for sjøvannsvekslere starter ved:

t Større enn eller lik 0,7 mmt \\geq 0,7\\ \\mathrm{mm}t Større enn eller lik 0,7 mm

basert på:

Rør diameter

Designtrykk

strømningshastighet

konsentrasjon av sand

Forventet levetid

Filosofien om vedlikehold

Denne tykkelsen gir ofte et godt kompromiss mellom:

Strukturell pålitelighet

Effektivitet av varmeoverføring

Produksjonsevne

Erosjonsmotstand

Selv om tynnere vegger har en mindre forbedring i termisk ytelse, er de mindre motstandsdyktige mot håndtering av skader og erosjon.

Beskyttelse av rørinnløpsregionen
Den mest sårbare delen av veksleren er vanligvis rørinngangen.

Hvorfor det er alvorlig innløperosjon
Når sjøvann kommer inn i rørbunten, øker turbulensstyrken betydelig. Mens lokalisert strømningsakselerasjon øker slagenergien, treffer sandpartikler veggen i forskjellige vinkler.

Dette genererer konsentrert slitasje nær de første centimeterne av rørlengden.

Ender av doble-tykke rør
Enkelte vekslerdesign inkluderer følgende for å øke holdbarheten:

Dobbel-tjukke rørender

Forsterkede innløpsseksjoner

Korte sveisede innløpshylser

Innsatser for tyngre vegger

I noen arrangementer er et kort segment av tykkere titanrør sveiset på innløpsenden for å absorbere erosjonsskader samtidig som tynnere rør bevares gjennom resten av veksleren.

Denne taktikken styrker den mest sårbare plasseringen samtidig som den reduserer de totale materialkostnadene.

Retningslinjer for hastighets- og industriforslag
Strømningshastighet spiller en avgjørende rolle i erosjons-korrosjonsadferd.

Anbefalte hastighetsgrenser
Organisasjoner som Nickel Institute og en rekke sjøvannstekniske anbefalinger gir foreslåtte hastighetsområder avhengig av:

konsentrasjon av sand

Partikkelstørrelse

strømningsregime

Materiale for rør

Systemgeometri

Typisk veiledning tar sikte på å opprettholde hastigheter under nivåer der partikkelstøt blir unødig kraftig.

Over lengre driftstider kan overdreven turbulens kombinert med sandbelastning akselerere slitasje selv om titan tåler høyere hastigheter enn mange kobber-baserte legeringer.

Termisk ytelse og holdbarhet i balanse
Fordi termisk motstand øker med veggtykkelsen, reduserer økende rørveggtykkelse marginalt varmeoverføringsytelsen.

Men når den veies opp mot den operasjonelle risikoen for tidlig rørsvikt, er konduktivitetsstraffen vanligvis ubetydelig.

Avveiningen- i ingeniørfag
Rørveggvalg blir derfor en balanse mellom:

Designmålets innvirkning på tykkelse
Effektivitet av varmeoverføring foretrekker vegger som er tynnere
Erosjonsmotstand favoriserer tykkere vegger
Strukturell integritet favoriserer tykkere vegger
Kostnadsreduksjon favoriserer optimal tykkelse
Forlenget levetid som tillater forringelse
I de fleste sjøvannssystemer oppveier langsiktig-pålitelighet den lille termiske straffen forbundet med litt tykkere rør.

Avslutningsvis
Det er andre faktorer i tillegg til trykkestimater som påvirker veggtykkelsen til et titanvekslerrør. Det er en nøye konstruert variabel som også tar hensyn til erosjon-korrosjon forårsaket av rennende sjøvann og suspenderte sandpartikler.

Mens sand-fylte forhold ofte rettferdiggjør å legge til 0,2 til 0,3 mm over den trykkbaserte- minste veggtykkelsen, kan rent saltvann ved moderate hastigheter kreve liten eller ingen ekstra toleranse. Forsterkede innløpsdeler og dobbelt-tykke rørender gir ekstra beskyttelse der turbulens og partikkelstøt er mest alvorlig.

Ved å kombinere ASME og TEMA strukturelle standarder med praktiske erosjonsgoder, kan titanutvekslerrør oppnå ekstraordinært lang levetid i alvorlige marine miljøer. I termisk systemteknikk kan en enkelt mm metall potensielt innebære et tiår med forbedret levetid.