Hvorfor eroderer tilstedeværelsen av flygeaskepartikler fortrinnsvis titanrørets oppstrømsside i svinger i en ettervarmer for røykgassavsvovlingsenhet?
Legg igjen en beskjed
Røykgassavsvovlingsenheter (FGD) i kull-kraftverk bruker ettervarmere for å heve temperaturen på renset røykgass før den kommer inn i stabelen. Titan er det valgte materialet på grunn av dets korrosjonsbestandighet i det sure, kloridrike-miljøet. Imidlertid inneholder FGD-røykgass flygeaskepartikler-kantede, harde (hovedsakelig silika og alumina), med størrelser fra 1 til 100 µm. Disse partiklene beveger seg med gassen med hastigheter på 15–25 m/s. Når gasstrømmen møter en bøyning i titanrøret, kan ikke de tyngre partiklene endre retning like raskt som gassen. De fortsetter langs sin opprinnelige bane, og påvirker rørveggen i den ytre radiusen av svingen. Denne partikkelpåvirkningen forårsaker erosjon, og fjerner fortrinnsvis materiale fra oppstrømssiden av svingen. Over tid fører veggtynning til perforering og lekkasje av røykgass eller kondensat.
Mekanisme for flyveaskeerosjon ved rørbøyninger
Erosjonsmekanismen er en kombinasjon av slagslitasje og skjæring. Flygeaskepartikler treffer titanoverflaten i vinkler typisk 20–50 grader i forhold til overflatetangensen. Selv om titan er tøft, har den relativt lav hardhet (180–220 HV for klasse 2) sammenlignet med silika (omtrent 1200 HV). Hvert partikkelstøt fortrenger et lite volum titan-i størrelsesorden 1–10 µm³ for en 20 µm partikkel ved 20 m/s. Erosjonshastigheten følger en kraftlov: Erosjon ∝ (V)^n × (d)^m × (partikkelkonsentrasjon), der V er hastighet, d er partikkeldiameter, n er omtrentlig 2,3 for titan, og m er omtrentlig 2,0. Ved bøyninger er den effektive slaghastigheten høyere enn bulkgasshastigheten på grunn av partikkelakselerasjon rundt kurven. Oppstrømssiden av røret mottar den høyeste tettheten av støt fordi partikler ennå ikke har blitt avledet av tidligere kollisjoner.
Kvantitative erosjonsrater ved forskjellige bøyningssteder
Feltmålinger og laboratorietester (20 m/s gasshastighet, 50 mg/m³ flyveaske, 20 µm gjennomsnittlig partikkelstørrelse) har etablert følgende erosjonshastigheter for grad 2 titan:
Rett rørseksjon, jevn strømning: Erosjonshastighet på 0,05–0,10 mm per år. Materialfjerning er relativt jevn rundt omkretsen. Akseptabelt for 10–15 års levetid med 1,5 mm veggtykkelse.
Bøy ytre radius, 90 graders albue, oppstrøms side: Erosjonshastighet på 0,6–1,2 mm per år. Maksimalt veggtap oppstår på punktet der partikkelbanen først kommer i kontakt med røret. Lokalisert tynning kan perforere en 1,5 mm vegg i løpet av 1–2 år.
Bøy ytre radius, nedstrøms side (etter støt): Erosjonshastighet på 0,2–0,4 mm per år. Partikler har mistet kinetisk energi etter første sammenstøt. Sekundær erosjon fortsatt betydelig.
Bøy indre radius (intrados): Erosjonshastighet på 0,02–0,05 mm per år. Lavere partikkelstøttetthet. Generelt beskyttet av gassgrenselaget.
Flere bøyninger i serie (f.eks. serpentinoppvarming): Erosjonshastigheten øker med 20–50 % ved hver påfølgende bøyning fordi partikler blir mer kantete og aggressive etter innledende støt.
Erosjonsreduserende og designvalgveiledning
Følgende tabell gir et beslutningsrammeverk for håndtering av flyveaskeerosjon ved bøyninger av titanrør basert på partikkelbelastning og gasshastighet:
| FGD ettervarmer tilstand | Anbefalt erosjonsbeskyttelse | Forventet erosjonsrate ved Bend | Anbefalt veggtykkelse |
|---|---|---|---|
| Lav askebelastning (<20 mg/m³), low velocity (<15 m/s) | Standard klasse 2, ingen beskyttelse | 0,2–0,4 mm/år | 1,5 mm |
| Moderat aske (20–50 mg/m³), hastighet 15–20 m/s | Overdimensjonert bøyeradius (større enn eller lik 3D), grad 7 titan | 0,3–0,5 mm/år | 2,0 mm |
| Høy aske (50–100 mg/m³), hastighet 20–25 m/s | Wolframkarbidoverlegg (0,5 mm) på oppstrøms bøyeflate | <0.05 mm/year (coated) | 1,5 mm med belegg |
| Severe ash (>100 mg/m³), slipende flyveaske (høy silika) | Utskiftbare sliteplater eller ermer ved bend | N/A (slitedel byttet) | 1,2 mm rør med 2 mm sliteplate |
| Eksisterende FGD med kjent bøyeerosjon | Monter svingvinger oppstrøms svingen | Reduserer erosjon med 60–80 % | N/A |
Engineering Beyond Erosjonsmotstand
Titanlegeringskvaliteten påvirker erosjonsmotstanden. Grad 7 (palladium-stabilisert) har tilsvarende hardhet (180–220 HV) og erosjonshastighet som grad 2. Grade 12 (molybden-nikkel) er litt hardere (200–240 HV) og reduserer erosjon med 15–20 %. Overflatebehandlinger kan forbedre erosjonsmotstanden: nitrering produserer et TiN-overflatelag (500–800 HV) som reduserer erosjon med 70–80 %, men øker kostnadene. Rørets veggtykkelse ved bend bør økes utover kravet til rett seksjon. Et typisk design bruker 1,5 mm vegg for rette seksjoner og 2,5 mm vegg for bøy ytterradier. Bøygeometri er kritisk: lange-radiusbøyninger (R=5D) opplever 50 % lavere erosjon enn standard-radiusbøyninger (R=1.5D). Gassstrømningsmønsteret kan modifiseres ved å dreie skovler oppstrøms for bend for å omdirigere partikler bort fra den ytre radius.
Lage en informert spesifikasjon
Når du spesifiserer et ettervarmerør av titan for FGD-service med flyveaske, identifiser alle bøyninger i gassbanen. For hver bøyning, spesifiser en økt veggtykkelse (2,0–2,5 mm) på ytre radius, enten ved å bruke et sømløst bøyd rør med tykkere vegg eller ved å påføre et sveiseoverlegg av titan eller wolframkarbid på oppstrømssiden. Be om beregningsbasert fluiddynamikk (CFD)-modellering av partikkelbaner gjennom gjenoppvarmingen for å identifisere høye-erosjonssoner. Under drift, utfør ultralydtykkelsestesting årlig ved bøyde ytre radier. Etabler en kritisk terskel for veggtykkelse (f.eks. 0,8 mm igjen) der røret skal skiftes ut eller repareres. For nye installasjoner, spesifiser en minste bøyeradius på 3D (tre ganger rørets ytre diameter). Hvis plassbegrensninger krever trange bøyninger (R=1.5D), kreves wolframkarbidbelegg eller utskiftbare slitehylser. Ved å adressere foretrukket erosjon ved bøyninger som en distinkt designhensyn, forlenger ingeniøren levetiden til titan FGD ettervarmere fra 1–2 år til 10–15 år i fly{19}}aske-belastede røykgassstrømmer.
