Khả năng chống ăn mòn huyền thoại của titan chỉ là một nửa câu chuyện trong nước biển; nửa còn lại là quá trình phun cát-không ngừng của sạn lơ lửng và lực cực mạnh của-nước vận tốc cao ở đầu vào ống, có thể ăn mòn lớp oxit titan mỏng nhanh hơn khả năng tái sinh của nó. Trong các bộ trao đổi nhiệt nước biển, tuổi thọ của ống được xác định không chỉ bằng hóa học mà còn bởi thủy động lực học, nhiễu loạn và năng lượng mài mòn do dòng chất lỏng mang theo.
Trong thách thức kỹ thuật củađộ dày thành ống titan xói mòn ăn mòn nước biển, thành ống chính xác được chọn bằng cách cân bằng các yêu cầu về ngăn chặn áp suất với khả năng chống xói mòn lâu dài.
Tại sao Titanium hoạt động rất tốt trong nước biển
Titan tạo thành một màng oxit cực kỳ ổn định và{0}}tự phục hồi khi tiếp xúc với nước biển có oxy. Lớp thụ động này cung cấp khả năng chống lại đáng kể:
Ăn mòn clorua
rỗ
Tấn công kẽ hở
Suy thoái liên quan đến-bẩn sinh học
Trong dịch vụ làm sạch nước biển, ống titan thường xuyên hoạt động được hàng thập kỷ với mức độ ăn mòn chung không đáng kể.
Hạn chế là hao mòn cơ học
Mặc dù màng oxit bền về mặt hóa học nhưng nó vẫn mỏng về mặt vật lý. Các hạt cát lơ lửng và dòng chảy rối-vận tốc cao có thể làm mòn bề mặt bảo vệ về mặt cơ học nhanh hơn tốc độ cải tạo trong điều kiện dòng chảy khắc nghiệt.
Quá trình này được gọi là xói mòn{0}}ăn mòn.
Vấn đề trở nên nghiêm trọng nhất ở:
Đầu vào ống
Vùng nhiễu loạn-cao
Vùng cản dòng chảy
Khu vực hạ lưu của khuỷu tay hoặc hạn chế
Hệ thống nước biển mang chất rắn lơ lửng
Vì lý do đó, độ dày thành ống trao đổi nhiệt phải đáp ứng cả nhu cầu liên quan đến kết cấu và độ mòn-.
Độ dày áp suất đến đầu tiên
Điểm bắt đầu để lựa chọn thành ống là độ dày tối thiểu theo yêu cầu của quy chuẩn thiết kế bình chịu áp lực.
Yêu cầu ASME và TEMA
Độ dày thành tối thiểu dựa trên áp suất-thường được xác định bằng cách sử dụng:
ASME Phần VIII
tiêu chuẩn TEMA
Thông số kỹ thuật của khách hàng áp dụng
Điều kiện áp suất và nhiệt độ thiết kế
Việc tính toán đảm bảo ống có thể chịu được một cách an toàn:
Áp suất bên trong
Áp lực bên ngoài
Tải cơ khí
Ứng suất nhiệt
Lực rung
Giá trị tính toán này thiết lập độ dày tối thiểu của kết cấu trước khi thêm bất kỳ khoản trợ cấp xói mòn nào.
Xói mòn-Cho phép ăn mòn trong dịch vụ nước biển
Sau khi yêu cầu về áp suất được thiết lập, độ dày thành bổ sung có thể được thêm vào để giải quyết sự hao mòn cơ học lâu dài do nước biển chảy.
Điều kiện nước biển sạch
Trong nước biển tương đối sạch với vận tốc vừa phải dưới khoảng:
v<2 m/sv < 2\ \mathrm{m/s}v<2 m/s
màng oxit titan vẫn có độ ổn định cao.
Dưới những điều kiện sau:
Tỷ lệ xói mòn cực kỳ thấp
Phụ cấp ăn mòn bổ sung có thể không đáng kể
Lịch trình tường ống tiêu chuẩn thường là đủ
Titanium hoạt động đặc biệt tốt trong những môi trường này vì màng thụ động liên tục tự sửa chữa sau khi bị gián đoạn bề mặt nhỏ.
Cát-Nước biển đầy cát cần thêm độ dày
Tình hình thay đổi đáng kể khi có chất rắn lơ lửng.
Tác Dụng Của Hạt Cát
Các hạt cát hoạt động như những viên đạn mài mòn cực nhỏ tác động vào thành ống ở tốc độ cao. Các tác động lặp đi lặp lại dần dần làm mòn màng oxit và loại bỏ một lượng nhỏ kim loại cơ bản bên dưới nó.
Sự xói mòn này diễn ra mạnh mẽ nhất ở nơi dòng chảy đầu tiên đi vào ống vì cường độ nhiễu loạn và vận tốc hạt cao nhất ở khu vực đầu vào.
Trong các dịch vụ này, phụ cấp tường bổ sung thường được thêm vào trên mức áp suất tối thiểu.
Phụ cấp bổ sung điển hình
Đối với nước biển có chứa cát hoặc chất dạng hạt cuốn theo, độ dày thành bổ sung xấp xỉ:
0,2 mm Nhỏ hơn hoặc bằng Δt Nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 mm0.2\\ \\mathrm{mm} \\leq \\Delta t \\leq 0,3\\ \\mathrm{mm}0,2 mm Nhỏ hơn hoặc bằng Δt Nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 mm
thường xuyên được chỉ định.
Vật liệu bổ sung này bù đắp cho sự hao mòn cơ học dần dần trong suốt thời gian sử dụng của bộ trao đổi nhiệt.
Chiếc ống có lớp giáp dày hơn một chút, nơi cơn bão cát tấn công mạnh nhất.
Lựa chọn tường ống tối thiểu điển hình
Đối với nhiều ứng dụng trao đổi nước biển, độ dày thành tối thiểu thực tế bắt đầu xung quanh:
t Lớn hơn hoặc bằng 0,7 mmt \\geq 0,7\\ \\mathrm{mm}t Lớn hơn hoặc bằng 0,7 mm
tùy thuộc vào:
Đường kính ống
Áp suất thiết kế
Vận tốc dòng chảy
Nồng độ cát
Tuổi thọ sử dụng dự kiến
Triết lý bảo trì
Độ dày này thường mang lại sự cân bằng chấp nhận được giữa:
Độ tin cậy của kết cấu
Hiệu suất truyền nhiệt
Khả năng sản xuất
Chống xói mòn
Thành mỏng hơn cải thiện hiệu suất nhiệt một chút nhưng giảm khả năng chống xói mòn và xử lý hư hỏng.
Bảo vệ khu vực đầu vào ống
Lối vào ống thường là vị trí dễ bị tổn thương nhất trong bộ trao đổi nhiệt.
Tại sao xói mòn cửa vào lại nghiêm trọng
Khi nước biển đi vào bó ống, cường độ nhiễu loạn tăng mạnh. Các hạt cát va vào tường ở các góc thay đổi trong khi gia tốc dòng chảy cục bộ làm tăng năng lượng va chạm.
Điều này tạo ra sự mài mòn tập trung gần vài cm đầu tiên của chiều dài ống.
Đôi-Đầu ống dày
Để cải thiện độ bền, một số thiết kế bộ trao đổi nhiệt chỉ định:
Hai đầu ống dày-
Phần đầu vào được gia cố
Tay áo đầu vào hàn ngắn
Tấm lót lối vào tường-nặng hơn
Trong một số cấu hình, một đoạn ngắn của ống titan dày hơn được hàn vào đầu vào để hấp thụ hư hỏng do xói mòn trong khi vẫn bảo quản ống mỏng hơn trong suốt phần còn lại của bộ trao đổi.
Chiến lược này giúp giảm tổng chi phí nguyên vật liệu đồng thời tăng cường-khu vực rủi ro cao nhất.
Nguyên tắc vận tốc và khuyến nghị của ngành
Vận tốc dòng chảy đóng vai trò trung tâm trong hiện tượng ăn mòn-xói mòn.
Giới hạn vận tốc được đề xuất
Các tổ chức như Viện Niken và các hướng dẫn kỹ thuật nước biển khác nhau công bố phạm vi vận tốc được khuyến nghị dựa trên:
Nồng độ cát
Kích thước hạt
Chế độ dòng chảy
Vật liệu ống
Hình học hệ thống
Hướng dẫn điển hình tìm cách duy trì vận tốc dưới mức mà sự va chạm của hạt trở nên quá mạnh.
Mặc dù titan chịu được vận tốc cao hơn nhiều hợp kim làm từ đồng-, nhưng nhiễu loạn quá mức kết hợp với tải trọng cát vẫn có thể làm tăng tốc độ mài mòn trong thời gian hoạt động lâu dài.
Cân bằng hiệu suất nhiệt và độ bền
Việc tăng độ dày thành ống làm giảm hiệu suất truyền nhiệt một chút vì điện trở nhiệt tăng theo độ dày thành ống.
Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng đến độ dẫn điện nhìn chung là khiêm tốn so với rủi ro vận hành do ống bị hỏng sớm.
Sự đánh đổi kỹ thuật{0}}
Do đó, việc lựa chọn thành ống sẽ trở thành sự cân bằng giữa:
| Mục tiêu thiết kế | Ảnh hưởng đến độ dày |
|---|---|
| Hiệu suất truyền nhiệt | Thích những bức tường mỏng hơn |
| Chống xói mòn | Thích những bức tường dày hơn |
| Tính toàn vẹn của cấu trúc | Thích những bức tường dày hơn |
| Giảm chi phí | Ưu tiên độ dày được tối ưu hóa |
| Tuổi thọ dài | Trợ cấp xói mòn ủng hộ |
Trong hầu hết các hệ thống nước biển, độ tin cậy lâu dài-sẽ vượt trội hơn mức giảm nhiệt nhỏ liên quan đến ống dày hơn một chút.
Phần kết luận
Độ dày thành của ống trao đổi titan không chỉ được xác định bằng tính toán áp suất. Đây là một biến số được thiết kế cẩn thận cũng bao gồm cả khả năng dự phòng xói mòn-do nước biển chảy và các hạt cát lơ lửng gây ra.
Nước biển sạch ở vận tốc vừa phải có thể cần ít hoặc không cần bổ sung thêm, nhưng điều kiện-nhiều cát thường cần thêm 0,2 đến 0,3 mm so với độ dày thành tối thiểu dựa trên áp suất-. Các phần đầu vào được gia cố và các đầu ống dày-kép giúp tăng cường khả năng bảo vệ ở những nơi nhiễu loạn và va chạm hạt nghiêm trọng nhất.
Bằng cách kết hợp các yêu cầu về cấu trúc của ASME và TEMA với mức cho phép xói mòn thực tế, các ống trao đổi titan có thể đạt được tuổi thọ hoạt động đặc biệt dài trong môi trường biển khắc nghiệt. Trong kỹ thuật hệ thống nhiệt, một milimet kim loại dễ dàng có nghĩa là tuổi thọ sử dụng thêm một thập kỷ.
