Легендарная коррозионная стойкость титана – это только половина дела в морской воде; другая половина — это беспощадная пескоструйная-взрывная обработка взвешенных частиц и сила потока воды с высокой- скоростью на входе в трубу, которая может разрушить тонкий слой оксида титана быстрее, чем он сможет вырасти заново. В теплообменниках с морской водой срок службы трубок определяется не только химическими факторами, но также гидродинамикой, турбулентностью и абразивной энергией, переносимой потоком жидкости.
В рамках инженерной задачитолщина стенки титановой трубы, эрозия, коррозия, морская вода, правильная стенка трубы выбирается с учетом требований по сдерживанию давления и долгосрочной-стойкости к эрозии.
Почему титан так хорошо себя чувствует в морской воде
Титан образует чрезвычайно стабильную и самовосстанавливающуюся оксидную пленку-под воздействием морской воды, насыщенной кислородом. Этот пассивный слой обеспечивает замечательную устойчивость к:
Хлоридная коррозия
Питтинг
Щелевая атака
Деградация, связанная с биообрастанием-
При эксплуатации в чистой морской воде титановые трубы обычно служат десятилетиями с незначительной общей коррозией.
Ограничением является механический износ.
Хотя оксидная пленка химически устойчива, она остается физически тонкой. Взвешенные частицы песка и высокоскоростная турбулентность-могут механически изнашивать защитную поверхность быстрее, чем она восстанавливается в тяжелых условиях потока.
Этот процесс известен как эрозионная-коррозия.
Проблема становится наиболее серьезной при:
Входные отверстия для трубок
Регионы с высокой-турбулентностью
Зоны соударения потока
Области ниже колен или ограничений
Системы морской воды, содержащие взвешенные твердые частицы
По этой причине толщина стенок трубок теплообменника должна учитывать как конструктивные, так и -требования, связанные с износом.
Толщина давления на первом месте
Отправной точкой при выборе стенки трубы является минимальная толщина, требуемая нормами проектирования сосудов под давлением.
Требования ASME и TEMA
Минимальная толщина стенки-на основе давления обычно определяется с помощью:
ASME Раздел VIII
стандарты ТЕМА
Применимые спецификации клиента
Расчетное давление и температурный режим
Расчет гарантирует, что труба сможет безопасно выдержать:
Внутреннее давление
Внешнее давление
Механическая загрузка
Термические напряжения
Силы вибрации
Это расчетное значение определяет минимальную толщину конструкции до того, как будет добавлен какой-либо допуск на эрозию.
Допуск на эрозию-коррозии в морской воде
После того как требования к давлению установлены, можно добавить дополнительную толщину стенок, чтобы учесть длительный-механический износ из-за потока морской воды.
Условия чистой морской воды
В относительно чистой морской воде с умеренными скоростями примерно ниже:
v<2 m/sv < 2\ \mathrm{m/s}v<2 m/s
Пленка оксида титана остается очень стабильной.
В этих условиях:
Скорость эрозии чрезвычайно низкая
Дополнительный припуск на коррозию может быть незначительным.
Стандартные спецификации трубных стенок зачастую достаточны.
Титан работает исключительно хорошо в таких условиях, поскольку пассивная пленка постоянно восстанавливается после незначительного повреждения поверхности.
Морская вода, насыщенная песком-, требует дополнительной толщины
Ситуация существенно меняется при наличии взвешенных веществ.
Эффект частиц песка
Частицы песка действуют как микроскопические абразивные снаряды, ударяющиеся о стенку трубы на высокой скорости. Повторяющиеся удары постепенно изнашивают оксидную пленку и удаляют небольшое количество основного металла под ней.
Эта эрозия наиболее агрессивна там, где поток впервые попадает в трубку, поскольку интенсивность турбулентности и скорость частиц наиболее высоки во входной области.
В этих случаях дополнительный припуск на стену обычно добавляется выше минимального давления.
Типичное дополнительное пособие
Для морской воды, содержащей захваченный песок или твердые частицы, дополнительная толщина стенок составляет примерно:
0,2 мм Меньше или равно Δt Меньше или равно 0,3 мм0,2\\ \\mathrm{mm} \\leq \\Delta t \\leq 0,3\\ \\mathrm{mm}0,2 мм Меньше или равно Δt Меньше или равно 0,3 мм
часто указывается.
Этот дополнительный материал компенсирует постепенный механический износ в течение срока службы теплообменника.
Трубка имеет более толстый слой брони там, где песчаная буря поражает наиболее агрессивно.
Типичный выбор минимальной стенки трубы
Для многих применений теплообменников морской воды практическая минимальная толщина стенок начинается примерно:
t Больше или равно 0,7 ммt \\geq 0,7\\ \\mathrm{mm}t Больше или равно 0,7 мм
в зависимости от:
Диаметр трубки
Расчетное давление
Скорость потока
Концентрация песка
Ожидаемый срок службы
Философия обслуживания
Такая толщина часто обеспечивает приемлемый баланс между:
Структурная надежность
Эффективность теплопередачи
Технологичность
Устойчивость к эрозии
Более тонкие стенки немного улучшают тепловые характеристики, но снижают устойчивость к эрозии и повреждениям при обращении.
Защита области входа трубки
Вход в трубу обычно является наиболее уязвимым местом теплообменника.
Почему входная эрозия является серьезной
По мере поступления морской воды в пучок труб интенсивность турбулентности резко возрастает. Частицы песка ударяются о стену под разными углами, а локализованное ускорение потока увеличивает энергию удара.
Это приводит к концентрированному износу на первых нескольких сантиметрах длины трубки.
Двойные-толстые концы трубок
Для повышения долговечности в некоторых конструкциях теплообменников указано:
Двойная-толстая трубка на концах
Усиленные впускные секции
Короткие приварные впускные патрубки
Более тяжелые-вставки для входа в стену
В некоторых конфигурациях к впускному концу приваривается короткий участок более толстой титановой трубки, чтобы поглотить эрозионные повреждения, сохраняя при этом более тонкие трубки на остальной части теплообменника.
Эта стратегия снижает общую стоимость материалов и одновременно укрепляет зону наибольшего-риска.
Рекомендации по скорости и отраслевые рекомендации
Скорость потока играет центральную роль в эрозионно--коррозионном поведении.
Рекомендуемые пределы скорости
Такие организации, как Институт никеля и различные руководства по проектированию морской воды, публикуют рекомендуемые диапазоны скоростей, основанные на:
Концентрация песка
Размер частиц
Режим потока
Материал трубки
Геометрия системы
Типичное руководство направлено на поддержание скорости ниже уровня, при котором столкновение частиц становится чрезмерно агрессивным.
Хотя титан выдерживает более высокие скорости, чем многие сплавы на основе меди-, чрезмерная турбулентность в сочетании с нагрузкой песком все же может ускорить износ в течение длительных периодов эксплуатации.
Баланс между тепловыми характеристиками и долговечностью
Увеличение толщины стенки трубы немного снижает эффективность теплопередачи, поскольку с увеличением толщины стенки увеличивается термическое сопротивление.
Однако потери проводимости обычно невелики по сравнению с эксплуатационным риском преждевременного выхода из строя трубки.
Инженерный компромисс-
Таким образом, выбор стенки трубы становится балансом между:
| Цель дизайна | Влияние на толщину |
|---|---|
| Эффективность теплопередачи | Предпочитает более тонкие стены |
| Устойчивость к эрозии | Предпочитает более толстые стены |
| Структурная целостность | Предпочитает более толстые стены |
| Снижение затрат | Обеспечивает оптимальную толщину |
| Длительный срок службы | Благоприятствует допуску на эрозию |
В большинстве систем с морской водой долгосрочная-надежность перевешивает незначительные тепловые потери, связанные с немного более толстыми трубками.
Заключение
Толщина стенки титановой теплообменниковой трубки определяется не только расчетами давления. Это тщательно разработанная переменная, которая также учитывает эрозию-коррозию, вызванную текущей морской водой и взвешенными частицами песка.
Чистая морская вода при умеренных скоростях может потребовать незначительного дополнительного допуска или вообще не требовать его вообще, но условия с содержанием песка часто оправдывают добавление на 0,2–0,3 мм сверх минимальной толщины стенок,-основанной на давлении. Усиленные впускные секции и двойные-концы трубок обеспечивают дополнительную защиту там, где турбулентность и столкновение частиц наиболее сильны.
Сочетая структурные требования ASME и TEMA с практическими допусками на эрозию, титановые теплообменники могут обеспечить исключительно длительный срок службы в суровых морских условиях. В тепловых системах один миллиметр металла может легко означать десятилетие дополнительного срока службы.
