كيف يتم تحديد سمك الجدار الصحيح لأنبوب مبادل التيتانيوم بناءً على التآكل-في مياه البحر المتدفقة؟

يمكن أن يؤدي السفع الرملي المستمر للحبيبات المعلقة والقوة المطلقة للمياه عالية السرعة- عند مدخل الأنبوب إلى تآكل أكسيد التيتانيوم الرقيق بسرعة أكبر مما يمكن أن ينمو مرة أخرى، مما يجعل مقاومة التيتانيوم الأسطورية للتآكل في مياه البحر نصف القصة فقط. بالإضافة إلى الكيمياء، تؤثر الديناميكا المائية والاضطراب والطاقة الكاشطة التي ينقلها تيار السائل على عمر الأنبوب في المبادلات الحرارية لمياه البحر.

في إطار المشكلة الفنية المتمثلة في تآكل سمك جدار أنبوب التيتانيوم الناتج عن التجوية بمياه البحر، يتم اختيار جدار الأنبوب الصحيح عن طريق موازنة احتياجات احتواء الضغط مع مقاومة التآكل على المدى الطويل-.

لماذا يعمل التيتانيوم بشكل جيد في مياه البحر
عند تعريض التيتانيوم للمياه المالحة المؤكسجة، فإنه يخلق طبقة أكسيد مستقرة بشكل لا يصدق وذاتية -الشفاء. تعطي هذه الطبقة السلبية مقاومة متميزة ضد:

تآكل الكلوريد

تأليب

هجوم الشق

التدهور المرتبط بالحشف الحيوي-

في خدمة مياه البحر النظيفة، غالبًا ما تنجز أنابيب التيتانيوم عقودًا من التشغيل دون أي تآكل عام.

القيد هو التآكل الميكانيكي
على الرغم من أن طبقة الأكسيد قوية كيميائيًا، إلا أنها تظل رقيقة فيزيائيًا. يمكن لجزيئات الرمل المعلقة-والاضطرابات عالية السرعة أن تلحق الضرر ميكانيكيًا بالسطح الواقي بشكل أسرع من إصلاحه في ظل ظروف التدفق القاسية.

التآكل-التآكل هو مصطلح هذه العملية.

وتتفاقم المشكلة في:

مداخل للأنابيب

المناطق ذات الاضطراب الشديد

مناطق اصطدام التدفق

المناطق أسفل المرفقين أو القيود

أنظمة مياه البحر التي تحتوي على الرواسب العالقة

ولهذا السبب، يجب أن يأخذ سمك جدار أنبوب المبادل في الاعتبار المعايير الهيكلية والمعايير المرتبطة بالتآكل-.

أولا، سمك الضغط
نقطة البداية لاختيار جدار الأنبوب هي الحد الأدنى للسمك الذي تتطلبه لوائح تصميم أوعية الضغط.

متطلبات ASME وTEMA
عادةً، يتم حساب الحد الأدنى لسمك الجدار بناءً على الضغط باستخدام:

ASME القسم الثامن

معايير تيما

مواصفات العميل المعمول بها

ظروف الضغط ودرجة الحرارة التصميمية

يضمن الحساب أن الأنبوب يمكن أن يتحمل:

القوة الداخلية

الضغط من الخارج

التحميل باستخدام الوسائل الميكانيكية

الضغوط الحرارية

قوى الاهتزاز

يتم تحديد الحد الأدنى للسمك الهيكلي من خلال هذه القيمة المحسوبة قبل إضافة أي بدل تآكل.

بدل التآكل والتآكل في خدمات مياه البحر
بمجرد معرفة متطلبات الضغط، يمكن إضافة سُمك إضافي للجدار لاستيعاب التآكل الميكانيكي طويل الأمد- الناتج عن مياه البحر الجارية.

ظروف مياه البحر النظيفة
في المياه المالحة النقية نسبيًا بسرعات معتدلة أقل تقريبًا من:

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

لا يزال فيلم أكسيد التيتانيوم مستقرًا جدًا.

في هذه الظروف:

هناك القليل جدا من التآكل.

بدل التآكل الإضافي قد يكون ضئيلا

تعتبر جداول جدار الأنبوب القياسية كافية بشكل عام

نظرًا لأن الطلاء السلبي للتيتانيوم يقوم بإصلاح نفسه بشكل مستمر بعد حدوث خلل بسيط في السطح، فإن أداء التيتانيوم جيد بشكل ملحوظ في هذه الظروف.

تتطلب الرمال-مياه البحر المحملة سمكًا إضافيًا
إن وجود المواد الصلبة العالقة يغير السيناريو بشكل جذري.

تأثير جزيئات الرمل
تتصرف جزيئات الرمل كمقذوفات كاشطة مجهرية تؤثر على جدار الأنبوب بسرعة عالية. تؤدي التأثيرات المتكررة إلى تآكل طبقة الأكسيد تدريجيًا وإزالة كميات صغيرة من المعدن الأساسي الموجود تحتها.

يكون هذا التآكل أكثر عدوانية عندما يدخل التدفق أولاً إلى الأنبوب لأن شدة الاضطراب وسرعة الجسيمات تكون أعلى في منطقة السحب.

وفوق الحد الأدنى للضغط، كثيرًا ما تتم إضافة نسبة تحمل إضافية للجدار في هذه الخدمات.

متوسط ​​البدل الإضافي
سمك جدار إضافي يبلغ تقريبًا ما يلي لمياه البحر التي تحتوي على رمل أو جسيمات محصورة:

0.2 مم أقل من أو يساوي Δt أقل من أو يساوي 0.3 مم0.2\\ \\mathrm{mm} \\leq \\Delta t \\leq 0.3\\ \\mathrm{mm}0.2 مم أقل من أو يساوي Δt أقل من أو يساوي 0.3 مم

يتم تحديده عادة.

على مدار فترة خدمة المبادل، تعمل هذه المادة الإضافية على تعويض التدهور الميكانيكي التدريجي.

عندما تضرب العاصفة الرملية بقوة أكبر، يكون للأنبوب طبقة درع أكثر سمكًا قليلًا.

الاختيار النموذجي للحد الأدنى من جدران الأنبوب
يبدأ الحد الأدنى العملي لسماكة الجدار لمختلف تطبيقات مبادلات مياه البحر عند:

t أكبر من أو يساوي 0.7 مم \\geq 0.7\\ \\mathrm{mm}t أكبر من أو يساوي 0.7 مم

مرتكز على:

قطر الأنبوب

ضغط التصميم

سرعة التدفق

تركيز الرمال

العمر المتوقع

فلسفة الصيانة

يوفر هذا السُمك في كثير من الأحيان حلاً وسطًا جيدًا بين:

الموثوقية الهيكلية

كفاءة انتقال الحرارة

القدرة على التصنيع

مقاومة التآكل

على الرغم من أن الجدران الرقيقة تتمتع بتحسن طفيف في الأداء الحراري، إلا أنها أقل مقاومة للتعامل مع الضرر والتآكل.

حماية منطقة مدخل الأنبوب
عادةً ما يكون الجزء الأكثر ضعفًا في المبادل هو مدخل الأنبوب.

لماذا يوجد تآكل شديد في المدخل
ومع دخول مياه البحر إلى حزمة الأنبوب، ترتفع قوة الاضطراب بشكل ملحوظ. في حين أن تسارع التدفق الموضعي يزيد من طاقة التأثير، فإن جزيئات الرمل تضرب الجدار بزوايا مختلفة.

وهذا يولد تآكلًا مركزًا بالقرب من السنتيمترات القليلة الأولى من طول الأنبوب.

نهايات -الأنابيب السميكة المزدوجة
تتضمن بعض تصميمات المبادلات ما يلي لزيادة المتانة:

نهايات الأنبوب السميكة المزدوجة-

أقسام مدخل معززة

أكمام مدخل ملحومة قصيرة

إدراجات للجدران الثقيلة

في بعض الترتيبات، يتم لحام جزء قصير من أنبوب التيتانيوم السميك على طرف المدخل لامتصاص أضرار التآكل مع الحفاظ على الأنابيب الرقيقة في جميع أنحاء الجزء المتبقي من المبادل.

يعمل هذا التكتيك على تقوية المواقع الأكثر ضعفًا مع خفض التكلفة الإجمالية للمواد.

المبادئ التوجيهية للسرعة واقتراحات الصناعة
تلعب سرعة التدفق دورًا حاسمًا في-سلوك التآكل.

حدود السرعة الموصى بها
توفر منظمات مثل معهد النيكل والعديد من توصيات هندسة مياه البحر نطاقات سرعة مقترحة اعتمادًا على:

تركيز الرمال

حجم الجسيمات

نظام التدفق

المواد للأنابيب

هندسة النظام

يهدف التوجيه النموذجي إلى الحفاظ على السرعات أقل من المستويات التي يصبح فيها اصطدام الجسيمات قويًا بشكل غير مبرر.

على مدار فترات التشغيل الطويلة، يمكن أن يؤدي الاضطراب المفرط المقترن بتحميل الرمال إلى تسريع التآكل على الرغم من أن التيتانيوم يمكنه تحمل سرعات أعلى من العديد من السبائك- القائمة على النحاس.

الأداء الحراري والمتانة في التوازن
نظرًا لأن المقاومة الحرارية ترتفع مع زيادة سمك الجدار، فإن زيادة سمك جدار الأنبوب يقلل بشكل طفيف من أداء نقل الحرارة.

ومع ذلك، عند مقارنتها بالمخاطر التشغيلية لفشل الأنبوب المبكر، فإن عقوبة التوصيل تكون عادةً ضئيلة.

التجارة-في مجال الهندسة
وبالتالي يصبح اختيار جدار الأنبوب بمثابة توازن بين:

تأثير هدف التصميم على السماكة
كفاءة نقل الحرارةتفضل الجدران التي تكون أرق
مقاومة التآكل تفضل الجدران السميكة
السلامة الهيكلية تفضل الجدران السميكة
تخفيض التكلفة يفضل السُمك الأمثل
تمديد عمر الخدمة مما يسمح بالتدهور
في معظم أنظمة مياه البحر،-تتفوق الاعتمادية على المدى الطويل على العقوبة الحرارية الصغيرة المرتبطة بالأنابيب الأكثر سمكًا قليلاً.

ختاماً
هناك عوامل أخرى إلى جانب تقديرات الضغط تؤثر على سمك جدار أنبوب مبادل التيتانيوم. وهو متغير تم تصميمه بعناية ويتضمن أيضًا السماح بالتآكل-التآكل الناتج عن تدفق مياه البحر وجزيئات الرمل المعلقة.

في حين أن ظروف امتلاء الرمال-تبرر في كثير من الأحيان إضافة 0.2 إلى 0.3 ملم فوق الحد الأدنى لسمك الجدار المستند إلى الضغط-، فإن المياه المالحة النظيفة بسرعات معتدلة قد تتطلب قدرًا ضئيلًا من التسامح الإضافي أو لا تتطلب أي تسامح إضافي. توفر أجزاء المدخل المعززة ونهايات الأنبوب السميكة - المزدوجة حماية إضافية حيث يكون الاضطراب واصطدام الجسيمات شديدًا.

من خلال الجمع بين المعايير الهيكلية ASME وTEMA مع بدلات التآكل العملية، يمكن لأنابيب مبادلات التيتانيوم تحقيق عمر تشغيلي طويل للغاية في البيئات البحرية القاسية. في هندسة الأنظمة الحرارية، قد يعني ملم واحد من المعدن عقدًا من عمر الخدمة المعزز.