Легендарна стійкість титану до корозії може бути знищена простою фізичною силою: ерозією. Коли трубка теплообмінника містить суспензію твердих, гострих частинок, вони можуть відчистити тонкий захисний оксид так само швидко, як він утворюється. Стінка трубки поступово стоншується, поки не виходить з ладу. Проектування проти цього означає додавання жертовної товщини з самого початку. Вибір правильногоерозія твердих частинок товщини стінки титанової трубкиприпуск перетворює потенційний швидкий знос на передбачуваний актив із тривалим-життям.
Механізм ерозії в титанових трубках
Титан покладається на пасивну оксидну плівку (головним чином TiO₂) для своєї виняткової стійкості до корозії. Ця плівка, як правило, має товщину лише кілька нанометрів, але майже миттєво перетворюється, якщо її пошкодити у присутності кисню або води. Однак, коли тверді зважені тверді речовини-такі як пісок, дрібні каталізатори, мінеральні кристали, іржа або фрагменти мушлі устриць-натикаються на внутрішню поверхню труби, вони фізично стирають оксидний шар. Потім метал, що лежить в основі, намагається відновити оксид, але кожен удар видаляє невелику кількість металу. Чиста втрата металу відбувається постійно.
На відміну від загальної корозії, яка має тенденцію бути відносно рівномірною, ерозія часто локалізується на вигинах, вхідних отворах труб або в точках, де змінюється напрямок потоку. Швидкість ерозії залежить від кількох факторів:
Твердість частинок– Кварцовий пісок (твердість за Моосом 7) руйнує титан швидше, ніж м’які частинки, такі як карбонат кальцію (моос 3).
Швидкість рідини– Швидкість ерозії зростає приблизно разом із кубом швидкості. Подвоєння швидкості збільшує знос у 8 разів.
Кут удару– Неглибокі кути (15–30 градусів) завдають найбільшої шкоди пластичним металам, таким як титан, зішкрябуючи, а не вдавлюючи.
Концентрація та розмір частинок– Більш високі концентрації та більші частинки (понад 100 мкм) викликають частіші високоенергетичні удари.
Типова швидкість ерозії для титану класу 2 у потоці морської води зі швидкістю 2 м/с, що містить 100 частин на мільйон піску розміром 150 мкм, може становити 0,1–0,3 мм на рік, залежно від геометрії. За таких умов трубка з мінімальною товщиною залежно від тиску 0,7 мм вийшла б з ладу протягом 2–7 років, що набагато менше очікуваного 20-річного терміну служби теплообмінника.
Мінімальна товщина на основі тиску в порівнянні з допуском на ерозію
Відправною точкою для товщини стінки труби є вимога до утримання тиску. Відповідно до розділу VIII ASME або стандартів TEMA необхідно розрахувати мінімальну товщину стінки труби для заданого розрахункового тиску, діаметра труби та допустимої напруги. Для титану класу 2 при кімнатній температурі допустима напруга становить приблизно 138 МПа (20 000 фунтів на квадратний дюйм). Типова тонкостінна титанова трубка (наприклад, діаметром 19 мм) може мати лише мінімальний тиск 0,5–0,7 мм для помірного тиску (10–15 бар).
Щоб врахувати ерозію, aдопуск на корозію-ерозіюдодається до цього мінімуму на основі тиску. Для помірно абразивних суспензій-таких як охолоджуюча вода з випадковим вмістом піску або технологічні потоки з низьким вмістом каталізатора-типовий припуск становить від 0,2 до 0,5 мм. Ця додаткова товщина є буфером проти неминучого ефекту піскоструминної обробки.
Компроміси: доданий метал проти теплових характеристик
Додавання припуску на ерозію збільшує термін служби, але також підвищує термічний опір. Титан уже має відносно низьку теплопровідність (приблизно 7–8 Вт/м·К для класу 2, приблизно 1/20 від міді). Більш товста стінка знижує загальний коефіцієнт тепловіддачі. Для заданого режиму роботи теплообмінника товщі труби потребують більшої площі поверхні (довші або більше труб) або більшої логарифмічної різниці температур.
Необхідно оцінити економічний компроміс: вартість додаткового металу (що є відносно невеликою) і потенційну потребу в більшій оболонці обмінника (значні капітальні витрати) слід порівняти з вартістю незапланованої заміни трубки або обмінника кожні кілька років. У більшості випадків скромний припуск у 0,2–0,5 мм є прийнятним без різкого збільшення розміру теплообмінника, особливо коли чистий загальний коефіцієнт теплопередачі вже обмежений опором плівки рідини, а не стінкою труби.
Зменшення швидкості: перша лінія оборони
Додаткова товщина стінки є лише буфером; основною причиною ерозії є надмірна швидкість рідини відносно присутніх частинок. Для титанових трубок, що працюють з чистою морською водою, максимальна рекомендована швидкість становить приблизно 3 м/с. За наявності зважених речовин цей ліміт слід зменшити до 1–2 м/с залежно від розміру частинок, концентрації та твердості.
Рекомендації щодо швидкості титанової трубки з твердими речовинами:
Дуже м'який (іноді штрафи,<10 ppm, <50 μm): 2.0–2.5 m/s
М’який (пісок до 50 ppm, 100 мкм): 1.5–2.0 m/s
Помірний (суспензії до 500 ppm, 200 мкм): 1.0–1.5 m/s
Важкий (понад 1000 ppm або гострі частинки): <1.0 m/s or consider upstream filtration
Краще витратити трохи на додатковий метал, ніж закрити для незапланованої повторної труби, але ще краще запобігти ерозії, контролюючи швидкість або видаляючи тверді частинки вище за течією. Встановлення фільтра, гідроциклона або відстійника для зменшення вмісту частинок нижче 50 ppm може подовжити термін служби труби на порядок, часто дозволяючи менший припуск на ерозію (0,2 мм) або взагалі не допускаючи його.
Процедура практичного відбору
Вибираючи правильну товщину стінки для титанової теплообмінної трубки в системі з твердими речовинами, слід дотримуватися наступних кроків:
Охарактеризуйте тверді тіла– Виміряйте розподіл частинок за розміром, твердість (за шкалою Мооса), концентрацію (ppm або мг/л) і кут (гострий чи округлений).
Визначте бічну швидкість -цільової труби– Виходячи з інтенсивності твердих речовин, виберіть швидкість у межах діапазонів вище. Якщо необхідна теплопередача вимагає більшої швидкості, може знадобитися допуск на ерозію або інший матеріал (наприклад, футеровані труби).
Обчисліть мінімальну товщину на основі тиску– Використовуючи ASME Розділ VIII, Розділ 1, параграф UG‑27 або TEMA RCB‑4.3, обчисліть товщину, необхідну для витримування максимально допустимого робочого тиску (MAWP) при розрахунковій температурі.
Додайте припуск на ерозію– Типові значення:
Чисте обслуговування (без видимих твердих частинок): 0 мм (використовуйте лише мінімальний тиск)
Випадкові дрібні плями (0–20 ppm): +0.2 мм
М'який шлам (20–100 ppm): +0.3 мм
Помірний шлам (100–500 ppm): +0.5 мм
Severe slurry (>500 ppm): +0.8 мм або розгляньте альтернативний дизайн
Округліть до стандартного калібру труби– Загальна товщина стінки титанової труби в мм (клас 2): 0,5, 0,7, 0,9, 1,0, 1,2, 1,5, 2,0. Виберіть наступний типорозмір над розрахованою сумою.
Перевірте теплові характеристики– Перерахуйте загальний коефіцієнт тепловіддачі з обраною товщиною стінки. Якщо коефіцієнт падає нижче допустимих меж, переконструюйте теплообмінник, додавши більше труб або більшу довжину.
Особливі міркування
Трубчасті входи– Найбільша ерозія відбувається на вході труби, де турбулентність найбільша. На вході труби можна вставити протектори (наконечники) кінців трубки, виготовлені з кераміки або загартованого металу, щоб поглинати найінтенсивніше зношування, дозволяючи зробити стінку трубки тоншою на решті довжини трубки.
Вигини в U-трубних теплообмінниках– Зовнішній радіус U-подібних вигинів зазнає більшої швидкості та кутів удару частинок. Рекомендується більш товста труба в області згину (або повна U-подібна труба з товщиною стінки на основі ерозії згину).
Онлайн моніторинг– Для критично важливих послуг ультразвуковий моніторинг товщини на вибраних вхідних ділянках труби може відстежувати ерозію з часом, дозволяючи передбачити технічне обслуговування.
Висновок: передбачуваний термін служби завдяки належному запасу
За наявності зважених твердих частинок вибір титанової труби з ретельно розрахованим допуском на ерозію перетворює потенційний швидкий знос на передбачуваний актив із тривалим терміном служби. Theерозія твердих частинок товщини стінки титанової трубкиРішення передбачає додавання тимчасового шару металу-зазвичай від 0,2 до 0,5 мм для помірно абразивних умов-понад мінімальну товщину, що залежить від тиску. Ця додаткова стінка забезпечує захист від втрати металу, подовжуючи час між замінами труб. Однак допуск на ерозію не є заміною для контролю швидкості або видалення твердих частинок вище за течією. Розрахунок на знос так само важливий, як і розрахунок на корозію. У титанових теплообмінниках, що працюють із суспензіями, додатковий міліметр металу є дешевою страховкою від незапланованої, дорогої зупинки.
