כיצד לבחור את עובי הדופן הנכון עבור צינור מחליף טיטניום על סמך שחיקה-קורוזיה במי ים זורמים?

התזת החול הבלתי פוסקת של חצץ מרחף והכוח העצום של מים-במהירות גבוהה בכניסת הצינור יכולים לשחוק את תחמוצת הטיטניום הדקה מהר יותר מכפי שהיא יכולה לצמוח מחדש, מה שהופך את העמידות האגדית של טיטניום בפני קורוזיה במי ים רק למחצית הקומה. בנוסף לכימיה, ההידרודינמיקה, המערבולת והאנרגיה השוחקת המועברת על ידי זרם הנוזל, כולם משפיעים על חיי הצינור במחלפי חום של מי ים.

בתוך הבעיה הטכנית של שחיקת עובי דופן צינור טיטניום בלייה במי ים, דופן הצינור הנכון נבחר על ידי איזון צרכי בלימת הלחץ עם עמידות-ארוכת טווח בשחיקה.

מדוע טיטניום מתפקד כל כך טוב במי ים
כאשר טיטניום נחשף למי מלח מחומצנים, הוא יוצר ציפוי תחמוצת יציב להפליא ומרפא את עצמו-. שכבה פסיבית זו מעניקה התנגדות יוצאת דופן נגד:

קורוזיה של כלוריד

פיטינג

התקפת נקיק

הידרדרות הקשורה להדבקה ביולוגית-

בשירות מי ים נקיים, צינורות טיטניום משיגים לעתים קרובות עשרות שנים של פעולה ללא קורוזיה כללית.

המגבלה היא בלאי מכני
למרות שסרט התחמוצת חזק מבחינה כימית, הוא נשאר דק פיזית. חלקיקי חול תלויים ומערבולת-במהירות גבוהה עלולים לגרום נזק מכני למשטח המגן מהר יותר ממה שהוא מתחדש בתנאי זרימה קשים.

שחיקה-קורוזיה היא המונח לתהליך זה.

הבעיה מחמירה ב:

כניסות לצינורות

אזורים בעלי מערבולות גבוהה

אזורי פגיעה בזרימה

אזורים במורד הזרם של מרפקים או הגבלות

מערכות מי ים המכילות משקעים מרחפים

מסיבה זו, עובי דופן צינור המחליף חייב לקחת בחשבון הן את הקריטריונים המבניים והן{0}} הקשורים לבלאי.

ראשית, עובי לחץ
נקודת המוצא לבחירת דופן הצינור היא העובי המינימלי הדרוש לפי תקנות עיצוב מיכלי לחץ.

דרישות ASME ו-TEMA
בדרך כלל, עובי הדופן המינימלי-מבוסס על הלחץ מחושב באמצעות:

ASME סעיף VIII

תקני TEMA

מפרט לקוח ישים

עיצוב תנאי לחץ וטמפרטורה

החישוב מבטיח שהצינור יכול להחזיק מעמד:

כוח פנימי

לחץ מבחוץ

טעינה באמצעים מכניים

מתחים תרמיים

כוחות הרטט

העובי המינימלי המבני נקבע על ידי ערך מחושב זה לפני הוספת קצבת שחיקה כלשהי.

קצבה לשחיקה וקורוזיה בשירותי מי ים
ברגע שדרישת הלחץ ידועה, ניתן להוסיף עובי דופן נוסף כדי להתאים לבלאי{0}}מכני ארוך טווח ממי ים זורמים.

תנאי מי ים נקיים
במים מלוחים טהורים יחסית עם מהירויות מתונות מתחת לערך:

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

הסרט של תחמוצת טיטניום עדיין יציב מאוד.

בנסיבות אלה:

יש מעט מאוד שחיקה.

תוספת קורוזיה עשויה להיות זניחה

לוחות זמנים סטנדרטיים לקיר צינור מספיקים בדרך כלל

מכיוון שהציפוי הפסיבי של טיטניום מתקן את עצמו ללא הרף לאחר הפרעה קלה של פני השטח, טיטניום מתפקד בצורה יוצאת דופן בתנאים אלה.

חול-מי ים עמוסים דורשים עובי נוסף
נוכחותם של מוצקים מרחפים משנה באופן דרסטי את התרחיש.

השפעת חלקיקי חול
חלקיקי חול מתנהגים כקליעים שוחקים מיקרוסקופיים המשפיעים על דופן הצינור במהירות גבוהה. פגיעות חוזרות ונשנות שוחקות בהדרגה את סרט התחמוצת ומסירות כמויות קטנות של מתכת בסיס מתחתיה.

שחיקה זו אגרסיבית יותר במקום שבו הזרימה נכנסת לראשונה לצינור מכיוון שעוצמת הטורבולנס ומהירות החלקיקים הם הגבוהים ביותר באזור היניקה.

מעל למינימום הלחץ, לעיתים קרובות מתווספת סבילות קיר נוספת בשירותים אלה.

קצבה נוספת ממוצעת
עובי דופן נוסף בערך הבא למי ים המכילים חול או חומר חלקיקים סחף:

0.2 מ"מ פחות או שווה ל-Δt פחות או שווה ל-0.3 mm0.2\\ \\mathrm{mm} \\leq \\Delta t \\leq 0.3\\ \\mathrm{mm}0.2 מ"מ פחות או שווה ל-Δt פחות או שווה ל-0.3 מ"מ

מצויין בדרך כלל.

במהלך חיי השירות של המחליף, החומר הנוסף הזה מפצה על הידרדרות מכנית מתקדמת.

במקום שבו סופת החול מכה בצורה החזקה ביותר, לצינור יש מעיל שריון מעט עבה יותר.

מבחר טיפוסי של קירות מינימום צינור
עובי דופן מינימלי מעשי עבור יישומי מחליפי מי ים שונים מתחילים ב:

t גדול או שווה ל-0.7 mmt \\geq 0.7\\ \\mathrm{mm}t גדול או שווה ל-0.7 מ"מ

מבוסס על:

קוטר הצינור

לחץ עיצובי

מהירות זרימה

ריכוז של חול

תוחלת חיים צפויה

הפילוסופיה של תחזוקה

עובי זה מספק לעתים קרובות פשרה טובה בין:

אמינות מבנית

יעילות העברת חום

יכולת ייצור

עמידות בפני שחיקה

למרות שלקירות דקים יש שיפור קל בביצועים התרמיים, הם פחות עמידים בפני טיפול בנזק ושחיקה.

הגנה על אזור כניסת הצינור
החלק הפגיע ביותר של המחליף הוא בדרך כלל כניסת הצינור.

מדוע יש שחיקת כניסה חמורה
כאשר מי ים נכנסים לצרור הצינורות, חוזק הטורבולנס עולה באופן משמעותי. בעוד האצת זרימה מקומית מגבירה את אנרגיית ההשפעה, חלקיקי חול פוגעים בקיר בזוויות שונות.

זה יוצר בלאי מרוכז ליד הסנטימטרים הראשונים של אורך הצינור.

קצוות של צינורות כפולים-עבים
עיצובים מסוימים של מחליף כוללים את הדברים הבאים כדי להגביר את העמידות:

קצוות צינור כפולים-עבים

חלקי כניסה מחוזקים

שרוולי כניסה מרותכים קצרים

תוספות לקירות כבדים יותר

בהסדרים מסוימים, קטע קצר של צינור טיטניום עבה יותר מרותך על קצה הכניסה כדי לספוג נזקי שחיקה תוך שמירה על צינורות דקים יותר לאורך שאר המחליף.

טקטיקה זו מחזקת את המיקום הפגיע ביותר תוך הפחתת העלות הכוללת של החומרים.

הנחיות להצעות מהירות ותעשייה
מהירות הזרימה משחקת תפקיד מכריע בהתנהגות השחיקה-.

מגבלות מהירות מומלצות
ארגונים כמו מכון ניקל והמלצות רבות להנדסת מי ים מספקים טווחי מהירות מוצעים בהתאם ל:

ריכוז של חול

גודל החלקיקים

משטר זרימה

חומר לצינורות

גיאומטריה של המערכת

הנחיה טיפוסית שואפת לשמור על מהירויות מתחת לרמות שבהן פגיעת חלקיקים הופכת לעוצמתית יתר על המידה.

לאורך זמני פעולה ממושכים, מערבולות מוגזמות בשילוב עם העמסת חול יכולים להאיץ בלאי למרות שטיטניום יכול לעמוד במהירויות גבוהות יותר מסגסוגות רבות על בסיס-נחושת.

ביצועים תרמיים ועמידות באיזון
מכיוון שההתנגדות התרמית עולה עם עובי הדופן, הגדלת עובי דופן הצינור מקטין באופן שולי את ביצועי העברת החום.

עם זאת, כאשר שוקלים את הסיכון התפעולי של כשל מוקדם בצינור, עונש המוליכות הוא בדרך כלל זניח.

המסחר- בהנדסה
לכן בחירת קיר צינור הופכת לאיזון בין:

ההשפעה של יעד העיצוב על העובי
יעילות העברת החום מעדיפה קירות דקים יותר
עמידות בשחיקה מעדיפה קירות עבים יותר
שלמות מבנית מעדיפה קירות עבים יותר
הפחתת עלויות מעדיף עובי אופטימלי
תוחלת חיי שירות מורחבת המאפשרת הידרדרות
ברוב מערכות מי הים, האמינות לטווח ארוך- גוברת על העונש התרמי הזעיר הקשור לצינור מעט עבה יותר.

לסיכום
ישנם גורמים נוספים מלבד הערכות לחץ המשפיעים על עובי הדופן של צינור מחליף טיטניום. זהו משתנה שהונדס בקפידה, המשלב גם מתן אפשרות לשחיקה-קורוזיה הנגרמת על ידי מי ים זורמים וחלקיקי חול מרחפים.

בעוד שתנאי מילוי-בחול מצדיקים לעתים קרובות הוספת 0.2 עד 0.3 מ"מ מעל לעובי הדופן המינימלי המבוסס על-לחץ, מים מלוחים נקיים במהירויות מתונות עשויים לדרוש סובלנות נוספת או מועטה. חלקי כניסה מחוזקים וקצוות צינור כפולים-עבים מעניקים הגנה נוספת במקום שבו המערבולת והפגיעה בחלקיקים הם החמורים ביותר.

על ידי שילוב של סטנדרטים מבניים ASME ו-TEMA עם קצבאות שחיקה מעשיות, צינורות מחליף טיטניום יכולים להשיג חיי פעולה ארוכים במיוחד בסביבות ימיות קשות. בהנדסת מערכות תרמיות, מ"מ בודד של מתכת עשוי לרמוז על עשור של חיי שירות משופרים.