A széntüzelésű erőművekben a füstgáz kéntelenítő (FGD) egységei utánfűtőket használnak a megtisztított füstgáz hőmérsékletének emelésére, mielőtt az a kéménybe kerül. A titán a választott anyag a savas, kloridban{2}}dús környezetben való korrózióállósága miatt. Az FGD füstgáz azonban szögletes, kemény (főleg szilícium-dioxid és alumínium-oxid) pernyeszemcséket tartalmaz, amelyek mérete 1 és 100 µm között van. Ezek a részecskék 15-25 m/s sebességgel haladnak a gázzal. Amikor a gázáram meghajlik a titáncsőben, a nehezebb részecskék nem tudnak olyan gyorsan változtatni az irányt, mint a gáz. Eredeti pályájukon haladnak tovább, és a csőfalat a kanyar külső sugarában érintik. Ez a részecskék becsapódása eróziót okoz, és előnyösen eltávolítja az anyagot a kanyar felfelé eső oldaláról. Idővel a fal elvékonyodása perforációhoz és füstgáz vagy kondenzátum szivárgásához vezet.

A pernye eróziójának mechanizmusa a csőhajlatoknál

Az eróziós mechanizmus az ütési kopás és a vágás kombinációja. A pernyeszemcsék a felület érintőjéhez képest jellemzően 20-50 fokos szögben csapódnak be a titán felületébe. A titán, bár szívós, viszonylag alacsony keménységű (180–220 HV a 2. fokozatnál) a szilícium-dioxidhoz képest (körülbelül 1200 HV). Minden részecske becsapódása egy kis mennyiségű titánt{10}}1–10 µm³ nagyságrendben egy 20 µm-es részecskéhez képest 20 m/s sebességgel kiszorít. Az erózió sebessége egy erőtörvényt követ: Erózió ∝ (V)^n × (d)^m × (részecskekoncentráció), ahol V a sebesség, d a részecskeátmérő, n körülbelül 2,3 a titán esetében, és m körülbelül 2,0. A kanyarokban az effektív ütközési sebesség nagyobb, mint az ömlesztett gáz sebessége a görbe körüli részecskegyorsulás miatt. A cső felső oldala éri a legnagyobb ütközéseket, mivel a részecskék még nem térültek el a korábbi ütközések során.

Kvantitatív eróziós arányok különböző kanyarhelyeken

A helyszíni mérések és laboratóriumi vizsgálatok (20 m/s gázsebesség, 50 mg/m³ pernye, 20 µm átlagos részecskeméret) a következő eróziós sebességeket állapították meg a 2. fokozatú titán esetében:

Egyenes csőszakasz, egyenletes áramlás: Évi 0,05–0,10 mm eróziós sebesség. Az anyag eltávolítása a kerület mentén viszonylag egyenletes. 10-15 éves élettartamra elfogadható 1,5 mm falvastagsággal.

Hajlítási külső sugár, 90 fokos könyök, felfelé irányuló oldal: Évi 0,6-1,2 mm eróziós sebesség. A legnagyobb falveszteség azon a ponton következik be, ahol a részecskepálya először érintkezik a csővel. A lokális elvékonyodás 1-2 éven belül 1,5 mm-es falat is kilyukadhat.

Hajlítási külső sugár, lefelé irányuló oldal (ütés után): Évi 0,2-0,4 mm eróziós sebesség. A részecskék a kezdeti becsapódás után elvesztették kinetikus energiájukat. A másodlagos erózió továbbra is jelentős.

Hajlítási belső sugár (intrados): Évi 0,02–0,05 mm eróziós sebesség. Alacsonyabb részecskék ütközési sűrűsége. Általában a gázhatároló réteg védi.

Több soros kanyar (pl. szerpentin-utánmelegítő): Az erózió mértéke 20-50%-kal növekszik minden következő kanyarban, mivel a részecskék szögletesebbé és agresszívebbé válnak a kezdeti ütközések után.

Eróziócsökkentési és tervezési kiválasztás útmutató

Az alábbi táblázat döntési keretet ad a pernye eróziójának kezelésére a titáncső íveiben a részecsketerhelés és a gázsebesség alapján:

Mérnöki tervezés az erózióállóságon túl

A titánötvözet minősége befolyásolja az erózióállóságot. A 7. fokozat (palládium-stabilizált) hasonló keménységgel (180–220 HV) és eróziós sebességgel rendelkezik, mint a 2. fokozaté. A 12. fokozat (molibdén-nikkel) valamivel keményebb (200–240 HV), és 15–20%-kal csökkenti az eróziót. A felületkezelések javíthatják az erózióállóságot: a nitridálás során TiN felületi réteg keletkezik (500–800 HV), amely 70–80%-kal csökkenti az eróziót, de növeli a költségeket. A cső falvastagságát a kanyarokban az egyenes szakaszra vonatkozó követelmény fölé kell növelni. Egy tipikus kialakítás 1,5 mm-es falat használ az egyenes szakaszokhoz és 2,5 mm-es falat a hajlítási külső sugarakhoz. A hajlítási geometria kritikus: a hosszú-sugárú hajlítások (R=5D) 50%-kal kisebb eróziót tapasztalnak, mint a szabványos-sugárú hajlítások (R=1.5D). A gázáramlási mintázat a kanyarok előtti forgólapátokkal módosítható, hogy a részecskéket a külső sugárból elterelje.

Tájékozott specifikáció készítése

Amikor titán utófűtő csövet határoz meg pernyével történő FGD szolgáltatáshoz, azonosítsa a gázút minden ívét. Minden ívhez adjon meg egy megnövelt falvastagságot (2,0–2,5 mm) a külső sugáron, vagy vastagabb falú varrat nélküli hajlított csövet használjon, vagy titán- vagy volfrámkarbid hegesztési rátétet alkalmazzon a felfelé irányuló oldalon. Kérje a részecskepályák számítási folyadékdinamikai (CFD) modellezését az újramelegítőn keresztül, hogy azonosítsa a nagy -eróziós zónákat. Működés közben évente végezzen ultrahangos vastagságvizsgálatot a hajlítási külső sugarakon. Határozzon meg egy kritikus falvastagsági küszöböt (pl. 0,8 mm marad), amelynél a csövet ki kell cserélni vagy javítani kell. Új telepítéseknél adjon meg egy 3D-s minimális hajlítási sugarat (a cső külső átmérőjének háromszorosa). Ha a helyszűke szűk íveket (R=1.5D) igényel, akkor keményfém bevonatot vagy cserélhető kopóhüvelyeket kell alkalmazni. Azáltal, hogy a kanyarokban előforduló eróziót külön tervezési szempontként kezeli, a mérnök 1–2 évről 10–15 évre növeli a titán FGD utánfűtők élettartamát pernye{19}}hamu{20}}terhelt füstgázáramokban.