چگونه می توان ضخامت دیواره مناسب را برای لوله مبدل تیتانیوم بر اساس فرسایش-خوردگی در جریان آب دریا انتخاب کرد؟

سندبلاست بی‌وقفه شن‌های معلق و نیروی محض-آب با سرعت بالا در ورودی لوله می‌تواند اکسید تیتانیوم نازک را سریع‌تر از آن که بتواند دوباره رشد کند فرسایش می‌دهد و مقاومت افسانه‌ای تیتانیوم در برابر خوردگی در آب دریا را تنها نیمی از داستان می‌سازد. علاوه بر شیمی، هیدرودینامیک، تلاطم و انرژی سایشی ارسال شده توسط جریان سیال همگی بر عمر لوله در مبدل های حرارتی آب دریا تأثیر می گذارند.

در مشکل فنی فرسایش ضخامت دیواره لوله تیتانیوم در اثر هوازدگی آب دریا، دیواره لوله مناسب با متعادل کردن نیازهای مهار فشار با مقاومت فرسایشی طولانی مدت انتخاب می شود.

چرا تیتانیوم در آب دریا بسیار خوب عمل می کند؟
هنگامی که تیتانیوم در معرض آب نمک اکسیژن دار قرار می گیرد، پوشش اکسیدی فوق العاده پایدار و خود ترمیمی- ایجاد می کند. این لایه غیرفعال مقاومت فوق العاده ای در برابر:

خوردگی کلرید

سوراخ کردن

حمله شکاف

زوال مربوط به رسوب زیستی-

در سرویس آب دریا تمیز، لوله های تیتانیوم اغلب چندین دهه کار را بدون خوردگی عمومی انجام می دهند.

محدودیت سایش مکانیکی است
اگرچه فیلم اکسید از نظر شیمیایی قوی است، اما از نظر فیزیکی نازک باقی می ماند. ذرات معلق ماسه و تلاطم با سرعت بالا می‌توانند سریع‌تر از اینکه در شرایط جریان شدید اصلاح شود، به صورت مکانیکی به سطح محافظ آسیب بزنند.

فرسایش{0}}خوردگی اصطلاحی است برای این فرآیند.

موضوع در موارد زیر بدتر می شود:

ورودی برای لوله ها

مناطق با تلاطم زیاد

مناطق برخورد جریان

نواحی پایین دست آرنج یا محدودیت ها

سیستم های آب دریا حاوی رسوبات معلق

به همین دلیل، ضخامت دیواره لوله مبدل باید معیارهای ساختاری و سایش را در نظر بگیرد.

اول، ضخامت فشار
نقطه شروع برای انتخاب دیواره لوله حداقل ضخامت مورد نیاز توسط مقررات طراحی مخازن تحت فشار است.

الزامات ASME و TEMA
به طور معمول، حداقل ضخامت دیوار بر اساس فشار{0}}با استفاده از:

ASME بخش هشتم

استانداردهای TEMA

مشخصات مشتری قابل اجرا

شرایط فشار و دما طراحی

محاسبات تضمین می کند که لوله می تواند دوام بیاورد:

نیروی داخلی

فشار از بیرون

بارگیری با استفاده از وسایل مکانیکی

تنش های حرارتی

حداقل ضخامت سازه با این مقدار محاسبه شده قبل از افزودن هر گونه اجازه فرسایش تعیین می شود.

کمک هزینه برای فرسایش و خوردگی در خدمات آب دریا
هنگامی که فشار مورد نیاز مشخص شد، ممکن است ضخامت دیواره اضافی برای سازگاری با سایش مکانیکی طولانی‌مدت آب دریا اضافه شود.

شرایط آب دریا تمیز
در آب‌های شور نسبتاً خالص با سرعت‌های متوسط ​​تقریباً زیر:

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

فیلم اکسید تیتانیوم هنوز بسیار پایدار است.

در این شرایط:

فرسایش بسیار کمی وجود دارد.

کمک هزینه خوردگی اضافی ممکن است ناچیز باشد

برنامه های استاندارد دیوار لوله معمولاً کافی است

از آنجایی که پوشش غیرفعال تیتانیوم به طور مداوم پس از پارگی جزئی سطح خود را ترمیم می کند، تیتانیوم در این شرایط عملکرد بسیار خوبی دارد.

ماسه-آب دریای لادن به ضخامت بیشتری نیاز دارد
وجود مواد جامد معلق به شدت سناریو را تغییر می دهد.

تاثیر ذرات شن و ماسه
ذرات شن و ماسه مانند پرتابه های ساینده میکروسکوپی رفتار می کنند که با سرعت بالا به دیواره لوله برخورد می کنند. ضربه های مکرر به تدریج لایه اکسیدی را فرسایش می دهد و مقادیر کمی از فلز پایه زیر آن را از بین می برد.

این فرسایش در جایی که جریان ابتدا وارد لوله می شود تهاجمی تر است زیرا شدت آشفتگی و سرعت ذرات در ناحیه ورودی بالاترین است.

بالاتر از حداقل فشار، تحمل دیوار اضافی اغلب در این خدمات اضافه می شود.

متوسط ​​کمک هزینه اضافی
ضخامت دیوار اضافی تقریباً به شرح زیر برای آب دریا که حاوی ماسه یا ذرات ذرات است:

0.2 mm کمتر یا مساوی Δt کمتر یا مساوی 0.3 mm0.2\\ \\mathrm{mm} \\leq \\Delta t \\leq 0.3\\ \\mathrm{mm}0.2 mm کمتر یا مساوی Δt کمتر یا مساوی 0.3 mm

معمولا مشخص می شود.

در طول عمر مفید مبدل، این ماده اضافی زوال مکانیکی پیشرونده را جبران می کند.

جایی که طوفان شن با بیشترین شدت برخورد می کند، این لوله دارای پوشش اندکی ضخیم تری از زره است.

انتخاب معمولی از حداقل دیوارهای لوله
حداقل ضخامت دیواره عملی برای کاربردهای مختلف مبدل آب دریا از موارد زیر شروع می شود:

t بزرگتر یا مساوی 0.7 mmt \\geq 0.7\\ \\mathrm{mm}t بزرگتر یا مساوی 0.7 میلی متر

بر اساس:

قطر لوله

فشار طراحی

سرعت جریان

غلظت شن و ماسه

طول عمر پیش بینی شده

فلسفه نگهداری

این ضخامت اغلب یک سازش خوب بین:

قابلیت اطمینان سازه

کارایی انتقال حرارت

قابلیت تولید

مقاومت در برابر فرسایش

اگرچه دیوارهای نازک‌تر بهبود جزئی در عملکرد حرارتی دارند، اما در برابر آسیب و فرسایش مقاومت کمتری دارند.

حفاظت از منطقه ورودی لوله
آسیب پذیرترین قسمت مبدل معمولاً ورودی لوله است.

چرا فرسایش ورودی شدید وجود دارد
با ورود آب دریا به بسته نرم افزاری لوله، قدرت آشفتگی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. در حالی که شتاب جریان موضعی انرژی ضربه را افزایش می دهد، ذرات ماسه در زوایای مختلف به دیوار برخورد می کنند.

این باعث ایجاد سایش متمرکز در نزدیکی چند سانتی متر اول طول لوله می شود.

انتهای لوله‌های دوبل-ضخیم
برخی از طرح های مبدل شامل موارد زیر برای افزایش دوام هستند:

انتهای لوله دو ضخیم-

مقاطع ورودی تقویت شده

آستین های ورودی جوش داده شده کوتاه

درج برای دیوارهای سنگین تر

در برخی ترتیبات، یک بخش کوتاه از لوله تیتانیوم ضخیم‌تر به انتهای ورودی جوش داده می‌شود تا آسیب‌های فرسایشی را جذب کند و در عین حال لوله نازک‌تری را در سرتاسر باقی‌مانده مبدل حفظ کند.

این تاکتیک آسیب پذیرترین مکان را تقویت می کند و در عین حال هزینه کلی مواد را کاهش می دهد.

دستورالعمل برای پیشنهادات سرعت و صنعت
سرعت جریان نقش مهمی در رفتار فرسایشی{0}}خوردگی دارد.

محدودیت های سرعت توصیه شده
سازمان‌هایی مانند مؤسسه نیکل و چندین توصیه مهندسی آب دریا محدوده‌های سرعت پیشنهادی را بسته به موارد زیر ارائه می‌کنند:

غلظت شن و ماسه

اندازه ذرات

رژیم جریان

مواد برای لوله ها

هندسه سیستم

هدف هدایت معمولی حفظ سرعت کمتر از سطوحی است که در آن برخورد ذرات بیش از حد نیرومند می شود.

در طول زمان کار طولانی، تلاطم بیش از حد همراه با بارگیری شن و ماسه می‌تواند سایش را تسریع کند، حتی اگر تیتانیوم بتواند سرعت‌های بالاتری را نسبت به بسیاری از آلیاژهای{0} مبتنی بر مس تحمل کند.

عملکرد حرارتی و دوام در تعادل
از آنجایی که مقاومت حرارتی با ضخامت دیواره افزایش می یابد، افزایش ضخامت دیواره لوله به طور جزئی باعث کاهش عملکرد انتقال حرارت می شود.

با این حال، هنگامی که در برابر خطر عملیاتی شکست زودرس لوله سنجیده می شود، جریمه رسانایی معمولاً ناچیز است.

تجارت{0}}در مهندسی خاموش است
بنابراین انتخاب دیوار لوله به تعادلی بین:

تاثیر هدف طراحی بر ضخامت
راندمان انتقال حرارت دیوارهای نازک‌تر را ترجیح می‌دهد
مقاومت در برابر فرسایش دیوارهای ضخیم تر را ترجیح می دهد
یکپارچگی سازه به دیوارهای ضخیم تر کمک می کند
کاهش هزینه به نفع ضخامت مطلوب است
عمر مفید طولانی مدت که امکان خرابی را فراهم می کند
در اکثر سیستم‌های آب دریا،-قابلیت اطمینان طولانی‌مدت بر جریمه حرارتی کوچک مرتبط با لوله‌های کمی ضخیم‌تر است.

در نتیجه
عوامل دیگری به جز تخمین فشار وجود دارد که بر ضخامت دیواره لوله مبدل تیتانیوم تأثیر می گذارد. این متغیری است که به دقت مهندسی شده است و همچنین دارای مجوز برای فرسایش-خوردگی ناشی از جریان آب دریا و ذرات شن معلق است.

در حالی که شرایط مملو از ماسه{0}}اغلب اضافه کردن 0.2 تا 0.3 میلی متر بالاتر از فشار حداقل ضخامت دیواره را توجیه می کند، آب شور تمیز در سرعت های متوسط ​​ممکن است به تحمل کمی یا بدون تحمل اضافی نیاز داشته باشد. بخش‌های ورودی تقویت‌شده و انتهای لوله‌های ضخیم دوگانه، در جایی که تلاطم و برخورد ذرات شدیدتر است، محافظت بیشتری می‌کنند.

با ترکیب استانداردهای ساختاری ASME و TEMA با مزایای فرسایش عملی، لوله‌های مبدل تیتانیوم می‌توانند به عمر عملیاتی فوق‌العاده طولانی در محیط‌های شدید دریایی دست یابند. در مهندسی سیستم‌های حرارتی، یک میلی‌متر فلز ممکن است به طور بالقوه نشان‌دهنده یک دهه افزایش عمر مفید باشد.