Οι μονάδες αποθείωσης καυσαερίων (FGD) σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας{0} με καύση άνθρακα χρησιμοποιούν αναθερμαντήρες για να αυξήσουν τη θερμοκρασία των καθαρισμένων καυσαερίων προτού εισέλθουν στη στοίβα. Το τιτάνιο είναι το υλικό επιλογής λόγω της αντοχής του στη διάβρωση στο όξινο, πλούσιο σε χλωριούχα-περιβάλλον. Ωστόσο, το καυσαέριο FGD περιέχει σωματίδια ιπτάμενης τέφρας-γωνιακά, σκληρά (κυρίως πυρίτιο και αλουμίνα), με μεγέθη που κυμαίνονται από 1 έως 100 μm. Αυτά τα σωματίδια ταξιδεύουν με το αέριο με ταχύτητες 15–25 m/s. Όταν το ρεύμα αερίου συναντά μια κάμψη στο σωλήνα τιτανίου, τα βαρύτερα σωματίδια δεν μπορούν να αλλάξουν κατεύθυνση τόσο γρήγορα όσο το αέριο. Συνεχίζουν κατά μήκος της αρχικής τροχιάς τους, προσκρούοντας στο τοίχωμα του σωλήνα στην εξωτερική ακτίνα της κάμψης. Αυτή η πρόσκρουση σωματιδίων προκαλεί διάβρωση, αφαιρώντας κατά προτίμηση υλικό από την ανάντη πλευρά της καμπής. Με την πάροδο του χρόνου, η λέπτυνση του τοίχου οδηγεί σε διάτρηση και διαρροή καυσαερίων ή συμπυκνωμάτων.

Μηχανισμός διάβρωσης ιπτάμενης τέφρας στις στροφές σωλήνων

Ο μηχανισμός διάβρωσης είναι ένας συνδυασμός φθοράς από κρούση και κοπής. Τα σωματίδια ιπτάμενης τέφρας χτυπούν την επιφάνεια του τιτανίου σε γωνίες συνήθως 20-50 μοίρες σε σχέση με την εφαπτομένη της επιφάνειας. Το τιτάνιο, αν και σκληρό, έχει σχετικά χαμηλή σκληρότητα (180–220 HV για Βαθμού 2) σε σύγκριση με το πυρίτιο (περίπου 1.200 HV). Κάθε κρούση σωματιδίου εκτοπίζει έναν μικρό όγκο τιτανίου{10}}της τάξης του 1–10 μm³ για ένα σωματίδιο 20 μm στα 20 m/s. Ο ρυθμός διάβρωσης ακολουθεί έναν νόμο ισχύος: Διάβρωση ∝ (V)^n × (d)^m × (συγκέντρωση σωματιδίων), όπου V είναι η ταχύτητα, d είναι η διάμετρος σωματιδίων, το n είναι περίπου 2,3 για το τιτάνιο και το m είναι περίπου 2,0. Στις στροφές, η αποτελεσματική ταχύτητα κρούσης είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του αερίου χύδην λόγω της επιτάχυνσης των σωματιδίων γύρω από την καμπύλη. Η ανάντη πλευρά του σωλήνα δέχεται την υψηλότερη πυκνότητα κρούσεων επειδή τα σωματίδια δεν έχουν ακόμη εκτραπεί από προηγούμενες συγκρούσεις.

Ποσοτικοί ρυθμοί διάβρωσης σε διαφορετικές θέσεις κάμψεων

Μετρήσεις πεδίου και εργαστηριακές δοκιμές (ταχύτητα αερίου 20 m/s, ιπτάμενη τέφρα 50 mg/m³, μέσο μέγεθος σωματιδίων 20 μm) έχουν καθορίσει τους ακόλουθους ρυθμούς διάβρωσης για το τιτάνιο Βαθμού 2:

Ευθύγραμμο τμήμα σωλήνα, ομοιόμορφη ροή: Ρυθμός διάβρωσης 0,05–0,10 mm ετησίως. Η αφαίρεση υλικού είναι σχετικά ομοιόμορφη γύρω από την περιφέρεια. Αποδεκτό για 10–15 χρόνια διάρκεια ζωής με πάχος τοιχώματος 1,5 mm.

Κάμψη εξωτερική ακτίνα, αγκώνα 90 μοιρών, προς τα πάνω πλευρά: Ρυθμός διάβρωσης 0,6–1,2 mm ετησίως. Η μέγιστη απώλεια τοιχώματος εμφανίζεται στο σημείο όπου η τροχιά των σωματιδίων έρχεται σε πρώτη επαφή με τον σωλήνα. Η τοπική αραίωση μπορεί να τρυπήσει ένα τοίχωμα 1,5 mm μέσα σε 1-2 χρόνια.

Εξωτερική ακτίνα κάμψης, προς τα κάτω πλευρά (μετά την κρούση): Ρυθμός διάβρωσης 0,2–0,4 mm ετησίως. Τα σωματίδια έχουν χάσει την κινητική ενέργεια μετά την αρχική πρόσκρουση. Η δευτερογενής διάβρωση παραμένει σημαντική.

Εσωτερική ακτίνα κάμψης (intrados): Ρυθμός διάβρωσης 0,02–0,05 mm ετησίως. Χαμηλότερη πυκνότητα πρόσκρουσης σωματιδίων. Γενικά προστατεύεται από το οριακό στρώμα αερίου.

Πολλαπλές κάμψεις σε σειρά (π.χ. σερπεντινικός αναθερμαντήρας): Τα ποσοστά διάβρωσης αυξάνονται κατά 20–50% σε κάθε επόμενη κάμψη επειδή τα σωματίδια γίνονται πιο γωνιακά και επιθετικά μετά τις αρχικές κρούσεις.

Οδηγός Επιλογής Μετριασμού της Διάβρωσης και Σχεδιασμού

Ο ακόλουθος πίνακας παρέχει ένα πλαίσιο απόφασης για τη διαχείριση της διάβρωσης της ιπτάμενης τέφρας σε κάμψεις σωλήνων τιτανίου με βάση το φορτίο σωματιδίων και την ταχύτητα αερίου:

Μηχανική πέρα ​​από την αντίσταση στη διάβρωση

Η ποιότητα του κράματος τιτανίου επηρεάζει την αντοχή στη διάβρωση. Ο βαθμός 7 (-σταθεροποιημένο παλλάδιο) έχει παρόμοια σκληρότητα (180–220 HV) και ρυθμό διάβρωσης με τον βαθμό 2. Ο βαθμός 12 (μολυβδαίνιο-νικέλιο) είναι ελαφρώς σκληρότερος (200–240 HV) και μειώνει τη διάβρωση κατά 15–20%. Οι επιφανειακές επεξεργασίες μπορούν να βελτιώσουν την αντοχή στη διάβρωση: η νιτρίωση παράγει ένα επιφανειακό στρώμα TiN (500–800 HV) που μειώνει τη διάβρωση κατά 70–80% αλλά προσθέτει κόστος. Το πάχος του τοιχώματος του σωλήνα στις στροφές θα πρέπει να αυξάνεται πέρα ​​από την απαίτηση ευθύγραμμου τμήματος. Ένας τυπικός σχεδιασμός χρησιμοποιεί τοίχο 1,5 mm για ευθείες τομές και τοίχο 2,5 mm για εξωτερικές ακτίνες κάμψης. Η γεωμετρία της κάμψης είναι κρίσιμης σημασίας: οι μακριές κάμψεις ακτίνας (R {= 5}D) παρουσιάζουν 50% χαμηλότερη διάβρωση από τις τυπικές κάμψεις-ακτίνας (R {= 1.5}D). Το σχέδιο ροής αερίου μπορεί να τροποποιηθεί με περιστρεφόμενα πτερύγια ανάντη των στροφών για να ανακατευθύνουν τα σωματίδια μακριά από την εξωτερική ακτίνα.

Κάνοντας μια ενημερωμένη προδιαγραφή

Κατά τον καθορισμό ενός σωλήνα αναθερμαντήρα τιτανίου για σέρβις FGD με ιπτάμενη τέφρα, προσδιορίστε όλες τις στροφές στη διαδρομή αερίου. Για κάθε κάμψη, καθορίστε ένα αυξημένο πάχος τοιχώματος (2,0–2,5 mm) στην εξωτερική ακτίνα, είτε χρησιμοποιώντας έναν λυγισμένο σωλήνα χωρίς ραφή με παχύτερο τοίχωμα είτε εφαρμόζοντας μια επικάλυψη συγκόλλησης από τιτάνιο ή καρβίδιο βολφραμίου στην ανάντη πλευρά. Ζητήστε μοντελοποίηση υπολογιστικής δυναμικής ρευστών (CFD) των τροχιών σωματιδίων μέσω του αναθερμαντήρα για να εντοπίσετε ζώνες υψηλής-διάβρωσης. Κατά τη λειτουργία, πραγματοποιήστε έλεγχο πάχους με υπερήχους ετησίως στις εξωτερικές ακτίνες κάμψης. Καθορίστε ένα κρίσιμο όριο πάχους τοιχώματος (π.χ. απομένουν 0,8 mm) στο οποίο θα πρέπει να αντικατασταθεί ή να επισκευαστεί ο σωλήνας. Για νέες εγκαταστάσεις, καθορίστε μια ελάχιστη ακτίνα κάμψης 3D (τρεις φορές την εξωτερική διάμετρο του σωλήνα). Εάν οι περιορισμοί χώρου απαιτούν σφιχτές στροφές (R=1.5D), απαιτείται επίστρωση καρβιδίου βολφραμίου ή αντικαταστάσιμα μανίκια φθοράς. Αντιμετωπίζοντας την προτιμώμενη διάβρωση στις στροφές ως ξεχωριστό στοιχείο σχεδιασμού, ο μηχανικός επεκτείνει τη διάρκεια ζωής των αναθερμαντήρων τιτανίου FGD από 1–2 σε 10–15 χρόνια σε ρεύματα καυσαερίων με ιπτάμενη-στάχτη-.