När en titanvärmare installeras horisontellt i en avsvavlingstank för rökgasavsvavling vid pH 2,5, vilket stödavstånd (600 mm vs. 900 mm) minimerar flödes-inducerad vibrationsutmattning?

Avsvavlingstankar för rökgasavsvavling innehåller vanligtvis vätska med ett pH på 2,5 och höga halter av klorid (10 000-30 000 ppm) och suspenderade partiklar som gips och kalksten. De horisontella titanvärmarna stöds utmed sin längd med intervaller. Virvelavfall och turbulens på grund av flöde över rören från omrörare, recirkulationspumpar eller gasspridning. Den naturliga frekvensen minskar för ett flexibelt rörspännvidd vid ett stödavstånd på 900 mm. Vortex-avkastningsfrekvenser med typiska FGD-flödeshastigheter på 0,5 till 2 m/s kan excitera röret till resonans och potentiellt leda till hög cykelutmattning. Rörets naturliga frekvens höjs över excitationsområdet genom att använda ett närmare stödavstånd på 600 mm, vilket minskar vibrationsamplituden och utmattningsskador. För rör med diametern 25 mm vid flödeshastigheter på 1,5 m/s, möjliggör 600 mm avstånd säker drift medan 900 mm avstånd resulterar i resonans- och utmattningsavbrott inom månader.

Flödes-inducerad vibrationströtthet i rörbuntar: mekanismen

När vätska strömmar över ett rör avges virvlar växelvis från rörets övre och undre yta med en frekvens f_v=(St × V)/D, där St är Strouhal-talet (cirka 0,2 för cylindrar), V är flödeshastigheten och D är rörets ytterdiameter. För ett rör med 25 mm diameter vid 1,5 m/s är f_v cirka 12 Hz. Om rörets inneboende frekvens f_n är inom 20 % av f_v uppstår resonans och vibrationsamplituden multipliceras med 10 till 50 gånger. Utmattningssprickor är en följd av cyklisk böjspänning vid stöden. Utmattningsgränsen för titan grad 2 är cirka 200 MPa. Vid resonans kan spänningarna vara mer än 300 MPa och utmattningsfel kan inträffa i 105 till 106 cykler, vilket innebär veckor eller månader av kontinuerlig drift. Egenfrekvensen beror på stödavståndet och är relaterad till den omvända kvadraten av spännlängden: f_n ∝ 1/L².

Kvantitativ naturlig frekvens och utmattningslivslängd för olika stödavstånd

Den naturliga frekvensen och utmattningslivslängden har beräknats och validerats för ett 25 mm OD, 1,5 mm väggtjocklek, grad 2 titanrör fyllt med magnesiumoxidisolering och en motståndstråd. Den naturliga frekvensen för stödavståndet på 600 mm är 22–28 Hz, vilket är högre än det vanliga området för virvelavstötningsfrekvens vid flödeshastigheterna 0,6–1,8 m/s (5–15 Hz). Vibrationsamplituden är fortfarande under 0,1 mm och utmattningslivslängden överstiger 10^8 cykler, vilket i praktiken är obegränsat för praktiska ändamål. Egenfrekvensen med ett avstånd på 750 mm ligger inom intervallet 14–18 Hz, vilket överlappar avkastningsområdet vid hastigheter på 1,0–1,3 m/s. Resonansen är måttlig med amplituder 0,2–0,5 mm och utmattningslivslängden sjunker till 10 6 till 10 7 cykler, vilket motsvarar 1–10 år beroende på flödesförhållanden. Egenfrekvensen sjunker till 9-12 Hz vid 900 mm avstånd. Detta är i avgivningsområdet för hastigheter på 0,7-1,5 m/s. Hög risk för resonans leder till amplituder på 0,5 – 2 mm och utmattningslivslängd till 104 – 105 cykler, vilket är veckor eller månader. 1, 200 mm mellanrum ger naturliga frekvenser på 5-7 Hz och signifikant resonans med typiska flöden och rekommenderas inte för någon kontinuerlig tjänst.

Effekt av flödeshastighet och rördiameter på kritiskt avstånd

Det avgörande stödavståndet är en funktion av rörets yttre diameter och det projicerade området för flödeshastighet. Virvelavgivningsområdet är 5-10 Hz för ett 20 mm rör med flödeshastigheter på 0,5-1,0 m/s och det minsta stödavståndet för att undvika resonans är 700 mm. För ett 20 mm rör är spridningsintervallet 10-15 Hz med hastigheter på 1,0-1,5 m/s. Minsta avstånd är 600 mm. För ett 25 mm rör vid hastigheter på 0,5–1,0 m/s är utsläppet 4–8 Hz och det minsta avståndet är 800 mm. För ett 25 mm rör vid hastigheter 1,0–1,5 m/s är släppning 8–12 Hz och minsta avstånd 650 mm. För ett rör med 25 mm diameter och hastigheter på 1,5–2,0 m/s är släppningen 12–16 Hz och det minsta avståndet är 600 mm. För ett 32 mm rör vid hastigheter på 1,5–2,0 m/s är släppningen 9–13 Hz och minsta avstånd är 700 mm. Ju närmare stödavståndet behövs för högre flödeshastigheter, oberoende av rördiametern.

FGD Effluent Service Support Avstånd Valguide

Följande tabell ger rekommenderat stödavstånd för horisontella titanvärmare som hanterar rökgasavsvavlingsavlopp vid ett pH på 2,5 baserat på uppskattad flödeshastighet och önskad utmattningslivslängd.

Flödeshastighetsområde (m/s) Rörets ytterdiameter (mm) Rekommenderat stödavstånd (mm) Förväntad utmattningslivslängd Dominant fel om avståndet överskrids<0.8 20-25 900 > 10 yearsSlight vibration
>10 år 0.8-1.2 20 700 Vibrationströtthet
0.8-1.2 25 800 >10 år Vibrationströtthet
1.2-1.6 20 600 >10 årVibrationströtthet
1.2-1.6 25 650 5-10 år TRÖTTVIBRATION
1,6–2.0 20 550 5–10 årErosion-korrosion kan dominera2.0 Alla 500<5 years Combined flow impacts
Engineering Beyond Support Spacing

Stödmaterialet har stor inverkan på utmattningslivslängden. Styva stöd svetsade till röret överför hela vibrationsbelastningen. Flexibla stöd, som PTFE-fodrade klämmor, minskar vibrationer med 30-50 %. Böjstyvheten påverkas av rörets väggtjocklek och en 2,0 mm vägg erbjuder 2,4 gånger böjstyvheten jämfört med en 1,5 mm vägg, vilket gör att stödavståndet kan ökas med 15 – 20 %. Titankvaliteten (Grade 2 vs Grade 7) påverkar inte styvheten eller utmattningsmotståndet eftersom de har samma elasticitetsmoduler. FGD-avloppskemin (pH 2,5, höga klorider) påskyndar inte nämnvärt utvecklingen av utmattningsbrott så länge som röret hålls passivt. I närvaro av korrosionsgropar, som fungerar som spänningskoncentratorer, reduceras utmattningslivslängden med 50-90%. Bra jordning för att undvika ströströmmar minskar också lokal korrosion som kan vara platser för sprickbildning.

Skapa en väl{0}}informerad specifikation

Beräkna den förutsagda flödeshastigheten över rören för en horisontell titanvärmare i FGD-skrubberavlopp vid pH 2,5. För hastigheter på 1,0 till 1,5 m/s, typiskt för omrörda FGD-tankar, specificera ett stödavstånd på 600 mm för rör med 20 mm ytterdiameter eller 650 mm för 25 mm rör. Kräv flexibla stöd (PTFE-fodrade klämmor) snarare än styva svetsade fästen. Befintliga värmare med 900 mm spännvidd och vibration bör ha mellanstöd för att minska spännvidden till 600 mm. För idrifttagning, använd en accelerometer för att mäta rörets vibrationsamplitud. Om amplituden är större än 0,2 mm vid något flöde, lägg till stöd eller minska pumphastigheten. Ingenjören väljer rätt stödavstånd, 600 mm istället för 900 mm, för att minimera flödesinducerad-vibrationsutmattning för långsiktig-tillförlitlighet vid svår FGD-avloppstjänst.