Proč v ohřívači jednotky odsiřování spalin přítomnost částic popílku eroduje přednostně horní stranu titanové trubky v ohybech?
Zanechat vzkaz
Jednotky na odsiřování spalin (FGD) v uhelných-elektrárnách používají přihříváky ke zvýšení teploty vyčištěných spalin před jejich vstupem do komína. Titan je materiálem volby kvůli jeho odolnosti proti korozi v kyselém prostředí bohatém na chloridy-. Spaliny z FGD však obsahují částice popílku-hranaté, tvrdé (zejména oxid křemičitý a oxid hlinitý) o velikosti od 1 do 100 µm. Tyto částice se pohybují s plynem rychlostí 15–25 m/s. Když proud plynu narazí na ohyb v titanové trubici, těžší částice nemohou změnit směr tak rychle jako plyn. Pokračují po své původní trajektorii a narážejí na stěnu trubky na vnějším poloměru ohybu. Tento náraz částic způsobuje erozi, přednostně odstraňuje materiál ze strany ohybu proti proudu. Postupem času vede ztenčování stěn k perforaci a úniku spalin nebo kondenzátu.
Mechanismus eroze popílku v ohybech trubek
Erozní mechanismus je kombinací nárazového opotřebení a řezání. Částice popílku narážejí na povrch titanu pod úhly typicky 20–50 stupňů vzhledem k povrchové tečně. Titan, i když je houževnatý, má relativně nízkou tvrdost (180–220 HV pro stupeň 2) ve srovnání s oxidem křemičitým (přibližně 1 200 HV). Každý dopad částice vytlačí malý objem titanu{10}}v řádu 1–10 µm³ pro částici o velikosti 20 µm rychlostí 20 m/s. Rychlost eroze se řídí mocninným zákonem: Eroze ∝ (V)^n × (d)^m × (koncentrace částic), kde V je rychlost, d je průměr částice, n je přibližně 2,3 pro titan a m je přibližně 2,0. V zatáčkách je efektivní nárazová rychlost vyšší než objemová rychlost plynu v důsledku zrychlení částic kolem křivky. Horní strana trubky přijímá nejvyšší hustotu nárazů, protože částice dosud nebyly vychýleny předchozími srážkami.
Kvantitativní míry eroze v různých místech ohybu
Terénní měření a laboratorní testy (rychlost plynu 20 m/s, 50 mg/m³ popílku, střední velikost částic 20 µm) stanovily následující rychlosti eroze pro titan stupně 2:
Rovná část trubky, rovnoměrný průtok: Rychlost eroze 0,05–0,10 mm za rok. Úběr materiálu je po obvodu poměrně rovnoměrný. Přijatelné pro životnost 10–15 let s tloušťkou stěny 1,5 mm.
Vnější poloměr ohybu, koleno 90 stupňů, strana proti proudu: Rychlost eroze 0,6–1,2 mm za rok. Maximální ztráta stěny nastává v místě, kde se trajektorie částic poprvé dotkne trubice. Lokalizované ztenčení může perforovat 1,5 mm stěnu během 1–2 let.
Ohněte vnější poloměr, strana po proudu (po nárazu): Rychlost eroze 0,2–0,4 mm za rok. Částice po prvním nárazu ztratily kinetickou energii. Sekundární eroze je stále výrazná.
Vnitřní poloměr ohybu (intrados): Rychlost eroze 0,02–0,05 mm za rok. Nižší hustota nárazu částic. Obecně chráněna hraniční vrstvou plynu.
Více ohybů v sérii (např. hadovitý přihřívač): Rychlost eroze se zvyšuje o 20–50 % při každém dalším ohybu, protože částice se po počátečních nárazech stávají hranatějšími a agresivnějšími.
Zmírnění eroze a průvodce výběrem designu
Následující tabulka poskytuje rámec rozhodování pro řízení eroze popílku v ohybech titanových trubek na základě zatížení částicemi a rychlosti plynu:
| Stav FGD dohřívače | Doporučená ochrana proti korozi | Očekávaná rychlost eroze v ohybu | Doporučení pro tloušťku stěny |
|---|---|---|---|
| Nízké zatížení popela (<20 mg/m³), low velocity (<15 m/s) | Standardní stupeň 2, bez ochrany | 0,2–0,4 mm/rok | 1,5 mm |
| Střední popel (20–50 mg/m³), rychlost 15–20 m/s | Nadměrný poloměr ohybu (Větší nebo rovný 3D), titan třídy 7 | 0,3–0,5 mm/rok | 2,0 mm |
| Vysoký popel (50–100 mg/m³), rychlost 20–25 m/s | Povrchová vrstva z karbidu wolframu (0,5 mm) na předním ohybu | <0.05 mm/year (coated) | 1,5 mm s povlakem |
| Severe ash (>100 mg/m³), abrazivní popílek (s vysokým obsahem oxidu křemičitého) | Vyměnitelné otěrové desky nebo objímky v ohybech | N/A (vyměněna opotřebitelná část) | Trubka 1,2 mm s 2 mm otěrovou deskou |
| Stávající FGD se známou ohybovou erozí | Nainstalujte otočné lopatky před ohybem | Snižuje erozi o 60–80 % | N/A |
Technika za odolností proti erozi
Třída slitiny titanu ovlivňuje odolnost proti erozi. Stupeň 7 (palladium{2}}stabilizovaný) má podobnou tvrdost (180–220 HV) a rychlost eroze jako stupeň 2. Stupeň 12 (molybden-nikl) je o něco tvrdší (200–240 HV) a snižuje erozi o 15–20 %. Povrchové úpravy mohou zlepšit odolnost proti erozi: nitridace vytváří povrchovou vrstvu TiN (500–800 HV), která snižuje erozi o 70–80 %, ale zvyšuje náklady. Tloušťka stěny trubky v ohybech by měla být zvýšena nad rámec požadavku na rovný průřez. Typická konstrukce používá 1,5 mm stěnu pro rovné úseky a 2,5 mm stěnu pro vnější poloměry ohybu. Geometrie ohybu je kritická: ohyby s dlouhým-poloměrem (R=5D) vykazují o 50 % nižší erozi než standardní-ohyby s poloměrem (R=1.5D). Vzor proudění plynu lze upravit pomocí otočných lopatek před ohyby, aby se částice přesměrovaly pryč z vnějšího poloměru.
Vytvoření informované specifikace
Při specifikaci titanové trubice dohřívače pro provoz FGD s popílkem identifikujte všechny ohyby v cestě plynu. Pro každý ohyb specifikujte zvýšenou tloušťku stěny (2,0–2,5 mm) na vnějším poloměru, buď použitím bezešvé ohýbané trubky se silnější stěnou, nebo nanesením svaru z titanu nebo karbidu wolframu na vstupní straně. Požadujte výpočetní modelování dynamiky tekutin (CFD) trajektorií částic přes přihřívač, abyste identifikovali oblasti s vysokou-erozí. Během provozu provádějte každoročně ultrazvukové testování tloušťky na vnějších poloměrech ohybu. Stanovte prahovou hodnotu kritické tloušťky stěny (např. zbývajících 0,8 mm), při které by měla být trubka vyměněna nebo opravena. U nových instalací určete minimální poloměr ohybu 3D (trojnásobek vnějšího průměru trubky). Pokud prostorová omezení vyžadují těsné ohyby (R=1.5D), požadujte povlak z karbidu wolframu nebo vyměnitelné otěrové manžety. Tím, že se konstruktér zabývá přednostní erozí v ohybech jako zřetelným konstrukčním hlediskem, prodlužuje životnost titanových FGD přihřívačů z 1–2 let na 10–15 let v proudech spalin zatížených popílkem-.
