Prečo v ohrievači jednotky na odsírenie spalín prítomnosť častíc popolčeka prednostne eroduje hornú stranu titánovej rúrky v ohyboch?
Zanechajte správu
Jednotky na odsírenie spalín (FGD) v uhoľných-elektrárňach používajú medziohrievače na zvýšenie teploty vyčistených spalín pred ich vstupom do komína. Titán je materiálom voľby kvôli jeho odolnosti voči korózii v kyslom prostredí bohatom na chloridy-. Spaliny z FGD však obsahujú častice popolčeka-hranaté, tvrdé (hlavne oxid kremičitý a oxid hlinitý) s veľkosťou od 1 do 100 µm. Tieto častice sa pohybujú s plynom rýchlosťou 15–25 m/s. Keď prúd plynu narazí na ohyb v titánovej trubici, ťažšie častice nemôžu zmeniť smer tak rýchlo ako plyn. Pokračujú po svojej pôvodnej trajektórii a narážajú na stenu rúrky na vonkajšom polomere ohybu. Tento náraz častíc spôsobuje eróziu, pričom sa prednostne odstraňuje materiál z prednej strany ohybu. Postupom času stenčenie stien vedie k perforácii a úniku spalín alebo kondenzátu.
Mechanizmus erózie popolčeka v ohyboch rúrok
Mechanizmus erózie je kombináciou nárazového opotrebovania a rezania. Častice popolčeka narážajú na povrch titánu pod uhlom typicky 20 až 50 stupňov vzhľadom k povrchovej dotyčnici. Titán, hoci je húževnatý, má relatívne nízku tvrdosť (180–220 HV pre stupeň 2) v porovnaní s oxidom kremičitým (približne 1 200 HV). Každý náraz častice vytlačí malý objem titánu-rádovo 1 – 10 µm³ pre 20 µm časticu rýchlosťou 20 m/s. Rýchlosť erózie sa riadi mocninným zákonom: Erózia ∝ (V)^n × (d)^m × (koncentrácia častíc), kde V je rýchlosť, d je priemer častice, n je približne 2,3 pre titán a m je približne 2,0. V zákrutách je efektívna nárazová rýchlosť vyššia ako objemová rýchlosť plynu v dôsledku zrýchlenia častíc okolo krivky. Protiprúdová strana trubice dostáva najvyššiu hustotu nárazov, pretože častice ešte neboli vychýlené predchádzajúcimi kolíziami.
Kvantitatívne miery erózie na rôznych miestach ohybov
Terénne merania a laboratórne testy (rýchlosť plynu 20 m/s, 50 mg/m³ popolčeka, priemerná veľkosť častíc 20 µm) stanovili nasledujúce rýchlosti erózie pre titán 2. stupňa:
Rovná rúrková časť, rovnomerný prietok: Rýchlosť erózie 0,05–0,10 mm za rok. Úber materiálu je po celom obvode pomerne rovnomerný. Prijateľná životnosť 10–15 rokov s hrúbkou steny 1,5 mm.
Vonkajší polomer ohybu, koleno 90 stupňov, strana proti prúdu: Rýchlosť erózie 0,6–1,2 mm za rok. Maximálny úbytok steny nastáva v bode, kde sa trajektória častíc prvýkrát dotkne trubice. Lokalizované stenčenie môže perforovať 1,5 mm stenu v priebehu 1–2 rokov.
Vonkajší polomer ohnutia, strana po prúde (po náraze): Rýchlosť erózie 0,2–0,4 mm za rok. Častice po prvom náraze stratili kinetickú energiu. Sekundárna erózia je stále výrazná.
Vnútorný polomer ohybu (intrados): Rýchlosť erózie 0,02–0,05 mm za rok. Nižšia hustota nárazu častíc. Všeobecne chránené hraničnou vrstvou plynu.
Viacnásobné ohyby v sérii (napr. serpentínový ohrievač): Rýchlosť erózie sa zvyšuje o 20–50 % pri každom nasledujúcom ohybe, pretože častice sa po počiatočných nárazoch stávajú hranatejšími a agresívnejšími.
Zmiernenie erózie a sprievodca výberom dizajnu
Nasledujúca tabuľka poskytuje rámec rozhodovania pre riadenie erózie popolčeka v ohyboch titánových rúr na základe zaťaženia časticami a rýchlosti plynu:
| Stav ohrievača FGD | Odporúčaná ochrana proti erózii | Očakávaná rýchlosť erózie v ohybe | Odporúčanie pre hrúbku steny |
|---|---|---|---|
| Nízke zaťaženie popolom (<20 mg/m³), low velocity (<15 m/s) | Štandardný stupeň 2, bez ochrany | 0,2–0,4 mm/rok | 1,5 mm |
| Stredný popol (20–50 mg/m³), rýchlosť 15–20 m/s | Nadmerný polomer ohybu (väčší alebo rovný 3D), titán 7. stupňa | 0,3–0,5 mm/rok | 2,0 mm |
| Vysoký popol (50–100 mg/m³), rýchlosť 20–25 m/s | Prekrytie z karbidu volfrámu (0,5 mm) na prednej strane ohybu | <0.05 mm/year (coated) | 1,5 mm s povlakom |
| Severe ash (>100 mg/m³), abrazívny popolček (vysoký obsah oxidu kremičitého) | Vymeniteľné oterové dosky alebo objímky v ohyboch | N/A (vymenený opotrebiteľný diel) | 1,2 mm rúrka s 2 mm oterovou doskou |
| Existujúce FGD so známou ohybovou eróziou | Nainštalujte otáčacie lopatky pred ohybom | Znižuje eróziu o 60-80% | N/A |
Technika za odolnosťou proti erózii
Druh zliatiny titánu ovplyvňuje odolnosť proti erózii. Stupeň 7 (paládium{2}}stabilizovaný) má podobnú tvrdosť (180–220 HV) a rýchlosť erózie ako stupeň 2. Stupeň 12 (molybdén{7}}nikel) je o niečo tvrdší (200–240 HV) a znižuje eróziu o 15–20 %. Povrchové úpravy môžu zlepšiť odolnosť proti erózii: nitridácia vytvára povrchovú vrstvu TiN (500–800 HV), ktorá znižuje eróziu o 70–80 %, ale zvyšuje náklady. Hrúbka steny rúrky v ohyboch by sa mala zväčšiť nad rámec požiadavky na rovný prierez. Typická konštrukcia používa 1,5 mm steny pre rovné časti a 2,5 mm steny pre vonkajšie polomery ohybu. Geometria ohybu je kritická: ohyby s dlhým-polomerom (R=5D) majú o 50 % nižšiu eróziu ako štandardné-polomery (R=1.5D). Vzor prúdenia plynu možno upraviť otáčaním lopatiek pred ohybmi, aby sa častice presmerovali preč z vonkajšieho polomeru.
Vytvorenie informovanej špecifikácie
Pri špecifikovaní titánovej rúrky medziohrievača pre FGD prevádzku s popolčekom identifikujte všetky ohyby v ceste plynu. Pre každý ohyb špecifikujte zvýšenú hrúbku steny (2,0–2,5 mm) na vonkajšom polomere, a to buď použitím bezšvíkovej ohýbanej rúrky s hrubšou stenou, alebo nanesením zvaru z titánu alebo karbidu volfrámu na vstupnej strane. Požiadajte o modelovanie výpočtovej dynamiky tekutín (CFD) trajektórií častíc cez ohrievač, aby ste identifikovali oblasti s vysokou-eróziou. Počas prevádzky vykonajte raz ročne skúšku hrúbky ultrazvukom na vonkajších polomeroch ohybu. Stanovte kritickú hranicu hrúbky steny (napr. zostávajúcich 0,8 mm), pri ktorej by sa trubica mala vymeniť alebo opraviť. Pre nové inštalácie špecifikujte minimálny polomer ohybu 3D (trojnásobok vonkajšieho priemeru rúry). Ak si priestorové obmedzenia vyžadujú tesné ohyby (R=1.5D), požadujte povlak z karbidu volfrámu alebo vymeniteľné opotrebiteľné manžety. Riešením preferenčnej erózie v ohyboch ako samostatného konštrukčného aspektu, inžinier predlžuje životnosť titánových FGD dohrievačov z 1 – 2 rokov na 10 – 15 rokov v prúdoch spalín naložených polietavým-popolom-.
