Lorsqu'un réchauffeur en titane est installé horizontalement dans un réservoir d'effluents de désulfuration des gaz de combustion à pH 2,5, quel espacement des supports (600 mm contre . 900 mm) minimise la fatigue due aux vibrations induites par le débit ?

Les réservoirs d'effluents de désulfuration des gaz de combustion contiennent généralement un liquide avec un pH de 2,5 et des niveaux élevés de chlorure (10 000 à 30 000 ppm) et des particules en suspension comme le gypse et le calcaire. Les radiateurs horizontaux en titane sont soutenus sur toute leur longueur à intervalles réguliers. Délestage de vortex et turbulences dus à l'écoulement à travers les tubes provenant d'agitateurs, de pompes de recirculation ou de barbotage de gaz. La fréquence propre diminue pour une travée de tube flexible à une distance de support de 900 mm. Des fréquences de perte de vortex de débits FGD typiques de 0,5 à 2 m/s peuvent exciter le tube en résonance et potentiellement conduire à une fatigue cyclique élevée. La fréquence naturelle du tube est augmentée au-dessus de la plage d'excitation grâce à l'utilisation d'un espacement plus étroit des supports de 600 mm, ce qui réduit l'amplitude des vibrations et les dommages dus à la fatigue. Pour les tubes de 25 mm de diamètre à des vitesses d'écoulement de 1,5 m/s, une séparation de 600 mm permet un fonctionnement sûr, tandis qu'un espacement de 900 mm entraîne une rupture par résonance et par fatigue en quelques mois.

-Fatigue vibratoire induite par l'écoulement dans les faisceaux de tubes : le mécanisme

Lorsque le fluide s'écoule à travers un tube, des tourbillons se dégagent alternativement des surfaces supérieure et inférieure du tube avec une fréquence f_v=(St × V)/D, où St est le nombre de Strouhal (environ 0,2 pour les cylindres), V est la vitesse d'écoulement et D est le diamètre extérieur du tube. Pour un tube de 25 mm de diamètre à 1,5 m/s, f_v est d'environ 12 Hz. Si la fréquence inhérente f_n du tube est inférieure à 20 % de f_v, une résonance se produit et l'amplitude de la vibration est multipliée par 10 à 50 fois. La fissuration par fatigue est une conséquence des contraintes de flexion cycliques au niveau des supports. La limite de fatigue du titane grade 2 est d'environ 200 MPa. À la résonance, les contraintes peuvent dépasser 300 MPa et la rupture par fatigue peut se produire en 105 à 106 cycles, ce qui signifie des semaines ou des mois de fonctionnement continu. La fréquence propre dépend de l'espacement des appuis et est liée à l'inverse du carré de la longueur de travée : f_n ∝ 1/L².

Fréquence propre quantitative et durée de vie en fatigue pour différents espacements de supports

La fréquence propre et la durée de vie en fatigue ont été calculées et validées pour un tube en titane de grade 2 de 25 mm de diamètre extérieur, 1,5 mm d'épaisseur, rempli d'isolation en oxyde de magnésium et d'un fil de résistance. La fréquence naturelle pour un espacement des supports de 600 mm est de 22 à 28 Hz, ce qui est supérieur à la plage courante de fréquence de rejet des vortex aux vitesses d'écoulement de 0,6 à 1,8 m/s (5 à 15 Hz). L'amplitude des vibrations est toujours inférieure à 0,1 mm et la durée de vie en fatigue dépasse 10 ^ 8 cycles, ce qui est effectivement illimité à des fins pratiques. La fréquence naturelle avec un espacement de 750 mm se situe dans la plage de 14 à 18 Hz, qui chevauche la plage de perte à des vitesses de 1,0 à 1,3 m/s. La résonance est modérée avec des amplitudes de 0,2 à 0,5 mm et la durée de vie en fatigue chute à 10 6 à 10 7 cycles, ce qui équivaut à 1 à 10 ans selon les conditions d'écoulement. La fréquence naturelle chute à 9-12 Hz à un espacement de 900 mm. Ceci se situe dans la plage de perte pour des vitesses de 0,7 à 1,5 m/s. Un risque élevé de résonance conduit à des amplitudes de 0,5 à 2 mm et une durée de vie à la fatigue de 104 à 105 cycles, soit des semaines ou des mois. 1, un espacement de 200 mm donne des fréquences naturelles de 5 à 7 Hz et une résonance significative avec des flux typiques et n'est pas recommandé pour tout service continu.

Effet de la vitesse d'écoulement et du diamètre du tube sur l'espacement critique

L'espacement crucial des supports dépend du diamètre extérieur du tube et de la plage projetée de vitesse d'écoulement. La plage de perte du vortex est de 5 à 10 Hz pour un tube de 20 mm avec des vitesses d'écoulement de 0,5 à 1,0 m/s et la distance de support minimale pour éviter la résonance est de 700 mm. Pour un tube de 20 mm, la plage de perte est de 10 à 15 Hz avec des vitesses de 1,0 à 1,5 m/s. L'espacement minimum est de 600 mm. Pour un tube de 25 mm à des vitesses de 0,5 à 1,0 m/s, la perte est de 4 à 8 Hz et l'espacement minimum est de 800 mm. Pour un tube de 25 mm à des vitesses de 1,0 à 1,5 m/s, le délestage est de 8 à 12 Hz et l'espacement minimum est de 650 mm. Pour un tube de 25 mm de diamètre et des vitesses de 1,5 à 2,0 m/s, le délestage est de 12 à 16 Hz et l'espacement minimum est de 600 mm. Pour un tube de 32 mm à des vitesses de 1,5 à 2,0 m/s, la perte est de 9 à 13 Hz et l'espacement minimum est de 700 mm. Plus l'espacement des supports est nécessaire pour des vitesses d'écoulement plus élevées, indépendamment du diamètre du tube.

Guide de sélection de l'espacement des supports de service d'effluents FGD

Le tableau suivant indique l'espacement des supports recommandé pour les réchauffeurs horizontaux en titane traitant des effluents de désulfuration des gaz de combustion à un pH de 2,5, en fonction de la vitesse d'écoulement estimée et de la durée de vie souhaitée en fatigue.

Plage de vitesse d'écoulement (m/s) Diamètre extérieur du tube (mm) Espacement des supports recommandé (mm) Durée de vie prévue en fatigue Défaillance dominante si l'espacement est dépassé<0.8 20-25 900 > 10 yearsSlight vibration
>10 ans 0.8-1.2 20 700 Fatigue vibratoire
0.8-1.2 25 800 >10 ans Fatigue vibratoire
1.2-1.6 20 600 >10 ansFatigue vibratoire
1.2-1.6 25 650 5-10 ansVIBRATION DE FATIGUE
1,6–2.0 20 550 5–10 ansL'érosion-la corrosion peut dominer2,0 N'importe quel 500<5 years Combined flow impacts
Ingénierie au-delà de l’espacement des supports

Le matériau de support a un impact important sur la durée de vie en fatigue. Les supports rigides soudés au tube transmettent toute la charge vibratoire. Les supports flexibles, comme les pinces revêtues de PTFE-, réduisent les vibrations de 30 à 50 %. La rigidité en flexion est influencée par l'épaisseur de la paroi du tube et une paroi de 2,0 mm offre 2,4 fois la rigidité en flexion d'une paroi de 1,5 mm, permettant d'augmenter l'espacement des supports de 15 à 20 %. La nuance de titane (Grade 2 vs Grade 7) n'affecte pas la rigidité ou la résistance à la fatigue car ils ont les mêmes modules élastiques. La chimie de l'effluent FGD (pH 2,5, teneur élevée en chlorures) n'accélère pas sensiblement le développement de la rupture par fatigue tant que le tube reste passif. En présence de piqûres de corrosion, qui fonctionnent comme des concentrateurs de contraintes, la durée de vie en fatigue est réduite de 50 à 90 %. Une bonne mise à la terre pour éviter les courants vagabonds réduit également la corrosion locale qui pourrait être le siège du développement de fissures.

Créer une-spécification bien informée

Calculer la vitesse d’écoulement prévue sur les tubes pour un réchauffeur horizontal en titane dans les effluents de l’épurateur FGD à pH 2,5. Pour des vitesses de 1,0 à 1,5 m/s, typiques des cuves FGD agitées, spécifier un espacement des supports de 600 mm pour les tubes de 20 mm de diamètre extérieur ou de 650 mm pour les tubes de 25 mm. Exiger des supports flexibles (pinces doublées de PTFE) plutôt que des supports soudés rigides. Les radiateurs existants avec une portée de 900 mm et des vibrations doivent avoir des supports intermédiaires ajoutés pour réduire la portée à 600 mm. Pour la mise en service, utilisez un accéléromètre pour mesurer l'amplitude des vibrations du tube. Si l'amplitude est supérieure à 0,2 mm dans n'importe quelle condition d'écoulement, ajoutez des supports ou réduisez la vitesse de la pompe. L'ingénieur sélectionne l'espacement correct des supports, 600 mm au lieu de 900 mm, pour minimiser la fatigue due aux vibrations induite par l'écoulement-pour une fiabilité à long terme-en cas de service sévère d'effluents FGD.