Comment sélectionner l'épaisseur de paroi correcte pour un tube échangeur en titane en fonction de l'érosion-corrosion dans l'eau de mer en écoulement ?

Le sablage incessant des particules en suspension et la force de l'eau à grande vitesse-à l'entrée du tube peuvent éroder le mince oxyde de titane plus rapidement qu'il ne peut repousser, ce qui rend la légendaire résistance du titane à la corrosion dans l'eau de mer seulement la moitié de l'histoire. Outre la chimie, l'hydrodynamique, la turbulence et l'énergie abrasive délivrée par le flux de fluide affectent toutes la durée de vie des tubes des échangeurs de chaleur à eau de mer.

Dans le cadre du problème technique de l'érosion de l'épaisseur de la paroi du tube en titane altérée par l'eau de mer, la paroi du tube appropriée est sélectionnée en équilibrant les besoins de confinement de la pression avec la résistance à l'érosion à long terme.

Pourquoi le titane fonctionne si bien dans l'eau de mer
Lorsque le titane est exposé à de l'eau salée oxygénée, il crée une couche d'oxyde incroyablement stable et auto-réparatrice. Cette couche passive offre une résistance exceptionnelle contre :

Corrosion des chlorures

Piqûres

Attaque de crevasse

Détérioration liée au bioencrassement-

En service d'eau de mer propre, les tubes en titane accomplissent fréquemment des décennies de fonctionnement sans corrosion générale.

La limitation est l’usure mécanique
Bien que le film d’oxyde soit chimiquement résistant, il reste physiquement mince. Les particules de sable en suspension et les turbulences à grande vitesse peuvent endommager mécaniquement la surface protectrice plus rapidement qu'elle ne se reforme dans des conditions d'écoulement sévères.

L'érosion-corrosion est le terme désignant ce processus.

Le problème s'aggrave :

Entrées pour tubes

Zones à forte turbulence

Zones d'impact d'écoulement

Zones en aval des coudes ou des restrictions

Systèmes d'eau de mer contenant des sédiments en suspension

Pour cette raison, l'épaisseur de la paroi du tube de l'échangeur doit tenir compte de critères à la fois structurels et liés à l'usure.

Premièrement, l'épaisseur de pression
Le point de départ pour la sélection de la paroi du tube est l'épaisseur minimale requise par les réglementations sur la conception des récipients sous pression.

Exigences ASME et TEMA
En règle générale, l'épaisseur de paroi minimale basée sur la pression-est calculée à l'aide :

ASME Section VIII

Normes TEMA

Spécifications clients applicables

Conditions de pression et de température de conception

Le calcul garantit que le tube peut supporter :

Force interne

Pression extérieure

Chargement par moyens mécaniques

Contraintes thermiques

Forces de vibrations

L'épaisseur minimale structurelle est déterminée par cette valeur calculée avant l'ajout de toute tolérance d'érosion.

Tolérance pour l'érosion et la corrosion dans les services d'eau de mer
Une fois que la pression requise est connue, une épaisseur de paroi supplémentaire peut être ajoutée pour tenir compte de l'usure mécanique à long terme due à l'écoulement de l'eau de mer.

Conditions d’eau de mer propre
Dans de l'eau salée relativement pure avec des vitesses modérées inférieures à environ :

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

Le film d'oxyde de titane est encore très stable.

Dans ces circonstances :

Il y a très peu d'érosion.

La marge de corrosion supplémentaire peut être négligeable

Les programmes standards de parois de tubes sont généralement suffisants

Étant donné que le revêtement passif du titane se répare continuellement après une légère perturbation de la surface, le titane se comporte remarquablement bien dans ces conditions.

L'-eau de mer chargée de sable nécessite une épaisseur supplémentaire
La présence de matières en suspension modifie radicalement la donne.

Impact des particules de sable
Les particules de sable se comportent comme des projectiles abrasifs microscopiques impactant la paroi du tube à grande vitesse. Des impacts répétés érodent progressivement le film d'oxyde et éliminent de petites quantités de métal de base en dessous.

Cette érosion est plus agressive là où le flux entre pour la première fois dans le tube, car l'intensité de la turbulence et la vitesse des particules sont les plus élevées dans la région d'admission.

Au-dessus de la pression minimale, une tolérance de paroi supplémentaire est fréquemment ajoutée dans ces services.

Allocation supplémentaire moyenne
Une épaisseur de paroi supplémentaire d'environ l'épaisseur suivante pour l'eau de mer contenant du sable ou des particules entraînées :

0,2 mm Inférieur ou égal à Δt Inférieur ou égal à 0,3 mm0,2\\ \\mathrm{mm} \\leq \\Delta t \\leq 0,3\\ \\mathrm{mm}0,2 mm Inférieur ou égal à Δt Inférieur ou égal à 0,3 mm

est communément spécifié.

Au cours de la durée de vie de l'échangeur, ce surplus de matière compense une détérioration mécanique progressive.

Là où la tempête de sable frappe le plus violemment, le tube est doté d'une armure légèrement plus épaisse.

Sélection typique de parois de tubes minimales
Les épaisseurs de paroi minimales pratiques pour diverses applications d’échangeurs d’eau de mer commencent à :

t Supérieur ou égal à 0,7 mmt \\geq 0,7\\ \\mathrm{mm}t Supérieur ou égal à 0,7 mm

basé sur:

Diamètre du tube

Pression de conception

vitesse d'écoulement

concentration de sable

Durée de vie prévue

La philosophie de la maintenance

Cette épaisseur constitue fréquemment un bon compromis entre :

Fiabilité structurelle

Efficacité de la transmission de chaleur

Capacité de fabrication

Résistance à l'érosion

Bien que les parois plus minces présentent une amélioration mineure des performances thermiques, elles sont moins résistantes aux dommages causés par la manipulation et à l’érosion.

Protection de la région d'entrée du tube
La partie la plus vulnérable de l’échangeur est généralement l’entrée du tube.

Pourquoi il y a une grave érosion des entrées
À mesure que l’eau de mer pénètre dans le faisceau de tubes, la force de turbulence augmente considérablement. Alors que l’accélération localisée du flux augmente l’énergie d’impact, les particules de sable frappent le mur sous différents angles.

Cela génère une usure concentrée près des premiers centimètres de la longueur du tube.

Extrémités des tubes double-épaisseur
Certaines conceptions d'échangeurs incluent les éléments suivants pour augmenter la durabilité :

Extrémités de tube double-épaisseur

Sections d'entrée renforcées

Manchons d'entrée courts soudés

Inserts pour murs plus lourds

Dans certains agencements, un bref segment de tube en titane plus épais est soudé sur l'extrémité d'entrée pour absorber les dommages dus à l'érosion tout en préservant un tube plus fin dans le reste de l'échangeur.

Cette tactique renforce l’emplacement le plus vulnérable tout en réduisant le coût global des matériaux.

Lignes directrices pour les suggestions de vitesse et de l’industrie
La vitesse d'écoulement joue un rôle crucial dans le comportement d'érosion-corrosion.

Limites de vitesse recommandées
Des organisations telles que le Nickel Institute et de nombreuses recommandations d'ingénierie de l'eau de mer proposent des plages de vitesses suggérées en fonction de :

concentration de sable

Taille des particules

régime d'écoulement

Matériel pour tubes

Géométrie du système

Les directives typiques visent à maintenir les vitesses en dessous des niveaux où l'impact des particules devient indûment puissant.

Sur des durées de fonctionnement prolongées, des turbulences excessives combinées à une charge de sable peuvent accélérer l'usure, même si le titane peut résister à des vitesses plus élevées que de nombreux alliages à base de cuivre.

Performance thermique et durabilité en équilibre
Étant donné que la résistance thermique augmente avec l’épaisseur de la paroi, l’augmentation de l’épaisseur de la paroi du tube diminue légèrement les performances de transmission thermique.

Cependant, comparée au risque opérationnel de défaillance précoce des tubes, la pénalité en matière de conductivité est généralement négligeable.

Le compromis-en matière d'ingénierie
Le choix des parois tubulaires devient donc un équilibre entre :

Impact de l'objectif de conception sur l'épaisseur
L'efficacité de la transmission de chaleurpréfère les murs plus minces
Résistance à l’érosion Favorise des murs plus épais
Intégrité structurelle Favorise des murs plus épais
Réduction des coûts Favorise une épaisseur optimale
Durée de vie prolongée favorisant la détérioration
Dans la plupart des systèmes d'eau de mer, la fiabilité à long terme-l'emporte sur la légère pénalité thermique associée à des tubes légèrement plus épais.

En conclusion
Il existe d'autres facteurs que les estimations de pression qui affectent l'épaisseur de paroi d'un tube échangeur en titane. Il s'agit d'une variable soigneusement conçue qui intègre également une prise en compte de l'érosion-corrosion causée par l'écoulement de l'eau de mer et les particules de sable en suspension.

Alors que les conditions remplies de sable-justifient fréquemment l'ajout de 0,2 à 0,3 mm au-dessus de l'épaisseur de paroi minimale basée sur la pression-, l'eau salée propre à des vitesses modérées peut nécessiter peu ou pas de tolérance supplémentaire. Les parties d'entrée renforcées et les extrémités de tube double-épaisseur offrent une protection supplémentaire là où les turbulences et les impacts de particules sont les plus graves.

En combinant les normes structurelles ASME et TEMA avec des tolérances pratiques d'érosion, les tubes échangeurs en titane peuvent atteindre des durées de vie extraordinairement longues dans des environnements marins difficiles. Dans l’ingénierie des systèmes thermiques, un seul mm de métal pourrait potentiellement impliquer une décennie de durée de vie améliorée.