Titano kompensacinės jungties silfonai, pasižymintys puikiu atsparumu korozijai ir puikiu specifiniu stiprumu, tapo pagrindiniais kompensaciniais komponentais vamzdynų sistemose, veikiančiose labai korozinėmis ir ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, chemijos inžinerijos, jūrų inžinerijos ir energijos bei elektros energijos gamybos srityse. Tačiau korozijos nuotėkis ir nuovargio įtrūkimai išlieka dviem pagrindiniais gedimo būdais, su kuriais jie susiduria eksploatacijos metu.
Šiame darbe sistemingai išaiškinami titano kompensacinės jungties silfonų korozijos ir nuovargio gedimo priežastiniai mechanizmai ir pateikiami atitinkami techniniai sprendimai iš penkių dimensijų: medžiagų parinkimo, konstrukcijos projektavimo, gamybos proceso, įrengimo ir konstrukcijos bei eksploatavimo ir priežiūros. Tyrimai rodo, kad pritaikius medžiagas korozinei aplinkai, rūšiuojant medžiagas, optimizuojant bangos formos parametrus, kad sumažintų įtempių koncentraciją, griežtai kontroliuojant suvirinimo kokybę ir geležies jonų užterštumą, standartizavus montavimo ir slėgio bandymo operacijas ir sukūrus viso eksploatavimo ciklo tikrinimo ir priežiūros sistemą, titano saugą, patikimumą ir eksploatavimo laiką galima žymiai pagerinti silfoninės siurblys. Šiame darbe galima pateikti teorinių ir praktinių nuorodų apie inžinerinį projektavimą ir eksploatavimo bei priežiūros valdymą.
Esant sudėtingoms eksploatavimo sąlygoms, tokioms kaip chemijos inžinerija, naftos perdirbimas ir jūrų inžinerija, vamzdynų sistemos ilgą laiką susiduria su aukšta temperatūra, aukštu slėgiu ir labai ėsdinančia medžiaga. Kaip pagrindinė dujotiekio šiluminės kompensacijos ir vibracijos slopinimo sudedamoji dalis, kompensacinių silfonų patikimumas tiesiogiai veikia visos sistemos veikimo saugą. Titano ir titano lydinio silfonai, pasižymintys puikiu atsparumu korozijai (ypač stabilumu chlorido jonų, šlapių chloro dujų ir įvairių rūgščių terpėje), lengvo dizaino (svorio sumažėjimas daugiau nei 30 %, palyginti su nerūdijančiu plienu) ir geromis nuovargio savybėmis tampa naujos kartos pagrindiniais komponentais, pakeičiančiais tradicinius nerūdijančio plieno gaminius.
Tačiau titano kompensacinės jungties silfonai vis dar susiduria su dviem pagrindiniais iššūkiais faktiškai eksploatuojant: pirma, taškinė korozija, plyšių korozija ir įtempių korozijos įtrūkimai, kuriuos sukelia terpės korozija; ir antra, nuovargio lūžiai veikiant ciklinei apkrovai, ypač dėl korozijos{0}}nuovargio susieto gedimo dėl bendros aukštos temperatūros, aukšto slėgio ir korozinės terpės poveikio. Šie du gedimo režimai yra tarpusavyje susiję ir vienas kitą stiprina, todėl kelia rimtą iššūkį vamzdynų sistemos saugai.
Šiame straipsnyje, vadovaujantis logika „problemų priežasčių analizė → daugiamačiai sprendimai“, sistemingai apibūdinami titano kompensacinės jungties silfonų korozijos ir nuovargio gedimo sprendimai, siekiant pateikti praktines technines gaires inžinierių projektuotojams ir eksploatavimo bei priežiūros vadovams.
1. Korozijos gedimas ir sistemos sprendimai
1.1 Pagrindinės korozijos gedimų formos ir priežastys
Korozijos gedimas yra labiausiai paplitęs dumplių kompensacinių siūlių gedimų tipas. Daugelio sugedusių komponentų analizė rodo, kad korozijos gedimas paprastai pasireiškia taškine korozija ir įtempių korozijos įtrūkimais, o chlorido jonų įtempių korozijos įtrūkimai sudaro maždaug 95 % visų korozijos gedimų.
Nors titanas garsėja puikiu atsparumu korozijai, jis vis tiek gali sugesti esant šioms sąlygoms:
(1) Galvaninė korozija, kurią sukelia geležies jonų užterštumas. Titanas yra ypač jautrus geležies jonų užterštumui. Jei geležies drožlės ar rūdys prilips prie paviršiaus, atsiras galvaninė korozija (titanas kaip katodas ir geležis kaip anodas), dėl kurios gali atsirasti vietinė korozija ir perforacija.
(2) Corrosion risk in high-temperature, high-concentration chloride ion environments. Although titanium hardly corrodes in seawater at room temperature, crevice corrosion or pitting corrosion can still occur under harsh conditions of high temperature (>70 laipsnių), didelė chlorido jonų koncentracija ir žemas pH.
(3) Vidutinės koncentracijos ir temperatūros sujungimo efektas. Dėl kelių veiksnių, pvz., terpės korozijos, aukštos -temperatūros šliaužimo, žemos-temperatūros trapumo ir srauto-sukeltos vibracijos, sustingusios gofrų dugno zonos yra linkusios į vietinę taškinę koroziją, o tai žymiai pagreitina našumo pablogėjimą.
1.2 Medžiagos lygio sprendimai
(1) Medžiagos parinkimas pagrįstas korozinių medžiagų klasifikacija. Paprastas nerūdijantis plienas yra beveik neveiksmingas prieš labai koroziją sukeliančias medžiagas, tokias kaip druskos rūgštis (bet kokia koncentracija), todėl reikia pasirinkti titano gofruotus vamzdžius. Bendromis korozinėmis sąlygomis pramoninis grynas titanas (Gr1/Gr2) gali atitikti pagrindinius reikalavimus; esant didesniam įtempių lygiui ir stipresnei korozijai, reikėtų pasirinkti titano lydinius (pvz., Gr7/Gr12/TC4), kad būtų pagerintas bendras veikimas.
(2) Griežta geležies jonų užterštumo kontrolė. Montavimo vieta turi būti izoliuota nuo anglinio plieno ir nerūdijančio plieno konstrukcijų zonų, taip pat turi būti skirta sandėliavimo vieta. Ant žemės reikia pakloti guminius kilimėlius arba medines lentas, kad būtų išvengta tiesioginio kontakto tarp titano vamzdžių ir anglinio plieno atramų. Prieš statant geležies drožles ir dulkes reikia pašalinti dulkių siurbliu. Įrankiai (veržliarakčiai, replės) turi būti paskirti arba nuriebalinti ir pašalinti rūdys{5}}; tiesioginis anglies plieno įrankių ir titano vamzdžio paviršiaus kontaktas yra griežtai draudžiamas. (3) Paviršiaus apsauga ir valymo valdymas. Kas mėnesį nuvalykite titano vamzdžių jungiamųjų detalių paviršių neutraliu plovikliu ir minkšta šluoste arba kempine, vengdami stiprių rūgščių ar šarminių ploviklių, kurie gali pažeisti medžiagą; reguliariai tikrinkite sandariklių ir jungčių būklę, nedelsdami pakeiskite visas pasenusias ar pažeistas dalis.
1.3 Korozijos kontrolės priemonės projektavimo lygmeniu
(1) Supaprastintas vidinės ertmės dizainas. Optimizuokite gofravimo formą naudodami skaičiavimo skysčių dinamikos (CFD) modeliavimą, kad išvengtumėte terpės sąstingio ir negyvų zonų, iš esmės užkertant kelią vietinei koncentracijos korozijai.
(2) Plyšių struktūrų vengimas. Optimizuokite flanšines jungtis, suvirintas jungtis ir kitas sritis, kad sumažintumėte tarpus ir išvengtumėte plyšių korozijos.
(3) Sustiprintų gofruotų konstrukcijų naudojimas. Eksploatavimo sąlygomis, kai yra didelė įtempių korozijos rizika, vietoj įprastų U-formos gofrų naudokite sustiprintas U-formos bangas, kad efektyviai sumažintumėte įtempių koncentraciją gofravimo slėniuose ir sumažintumėte jautrumą korozijai įtempiams.
2. Nuovargio gedimas ir sistemos sprendimai
2.1. Nuovargio gedimo mechanizmas ir charakteristikos
Ilgalaikės eksploatacijos metu silfonų kompensatoriai patiria nuovargio pažeidimus dėl cikliškai kintančio įtempimo ir įtempimo, o tai galiausiai sukelia nuovargio gedimą. Pagrindinės įtempių koncentracijos zonos, atsirandančios dėl nuovargio gedimo, paprastai yra dumplių ir suvirintų jungčių lovose.
Nesustiprintų U-formos titano silfonų nuovargio tyrimai rodo, kad, palyginti su austenitiniu nerūdijančiu plienu, titano dumplių eksploatavimo laikas yra trumpesnis. Jų projektinis saugos koeficientas yra palyginti didelis, o projektavimas pagal ASME B31.3 priedo X302.1.3 formulę laikomas saugiu. Nuovargio lūžių režimas yra toks pat kaip ir tradicinių austenitinių nerūdijančio plieno silfonų, kurių įtrūkimai prasideda abiejuose galuose ir sklinda link vidurio, pasižymintys tipišku plastišku lūžiu.
Praktinėje inžinerijoje silfoninė kompensacinė jungtis (304 nerūdijantis plienas, projektinis tarnavimo laikas 8 metai) šilumos tinklo šilumokaityje parodė galimą gedimą tik po 5,2 metų faktinio naudojimo. Įtempių koncentracija 1,3 karto viršijo medžiagos takumo ribą ir tapo pagrindiniu nuovargio įtrūkimų atsiradimo šaltiniu.
2.2 Struktūrinis projektavimas ir optimizavimas
(1) Bangos formos optimizavimas – nuo „V“ iki „U“, tada į „hiperbolinį tangentą“. U-formos gofruoti vamzdžiai turi didesnį spindulį perėjime tarp keterų ir lovių, todėl tolygesnis įtempių pasiskirstymas ir geresnis atsparumas nuovargiui, palyginti su V-formos gofruotais vamzdžiais. Naudojant laipsnišką kreivumą, o ne aštrius kampus, žymiai sumažėja vietinių įtempių smailės, o sklandus perėjimas tarp gofravimo smailių ir lovių efektyviai išvengia įtempių koncentracijos taškų. Be to, gofruotojo kartono šerdies struktūrą galima rekonstruoti naudojant biomimetinės korio topologijos principą, optimizuojant tradicinį apskrito lanko gofruotą profilį į „hiperbolinės liestinės“ formą, užtikrinant vienodą įtempių perdavimą ir sumažinant vietinę įtempių perkrovą, kai gofruoto vamzdžio sienelė dažnai pasislenka.
(2) Daugiasluoksnių gofruotųjų konstrukcijų projektavimas. Esant dideliam-slėgiui arba dideliam-poslinkiui, kelių sluoksnių gofruoto vamzdžio konstrukcija išsklaido įtempius, todėl kiekvienas gofruoto vamzdžio sluoksnis gali atlaikyti tik dalį apkrovos, todėl bendras įtempių pasiskirstymas yra tolygesnis ir žymiai pailgėja nuovargio tarnavimo laikas.
(3) Pagrįstas sienos storio ir tarpo tarp bangų suderinimas. Tiksliai apskaičiuojant ir optimizuojant dizainą, galima rasti optimalų sienelės storio ir gofravimo žingsnio atitikimą, kuris gali veiksmingai sumažinti įtempių koncentraciją ir pagerinti atsparumą nuovargiui. Tačiau reikia pažymėti, kad kuo ilgesnis nuovargio laikas, tuo mažesnė vienos bangos kompensavimo suma; jei vienos -bangos kompensavimo suma pernelyg padidinama siekiant sumažinti išlaidas, tai žymiai padidins dienovidinį lenkimo įtempį ir padidins nestabilumo riziką.
(4) Saugos rezervas, skirtas eksploatuoti nuovargį. Titano silfonų nuovargio trukmės dizaino formulė, gauta pagal ASME standartą, turi didelį saugos koeficientą. Realiame projekte šis saugos rezervas turėtų būti visiškai išnaudotas, o projektavimo etape turėtų būti rezervuota pakankama nuovargio trukmė.
2.3 Gamybos procesas ir kokybės kontrolė
(1) Griežta suvirinimo proceso kontrolė. Išilginės silfono siūlės turi būti visiškai įsiskverbusios, o suvirinimo proceso kvalifikacija turi atitikti NB/T 47014 reikalavimus. Titanas pasižymi itin dideliu cheminiu aktyvumu aukštoje temperatūroje -absorbuojant vandenilį aukštesnėje nei 300 laipsnių temperatūroje, deguonį aukštesnėje nei 600 laipsnių temperatūroje ir azotą aukštesnėje nei 700 laipsnių temperatūroje. Apsaugai turi būti naudojamos argono dujos, kurių grynumas didesnis arba lygus 99,99%, griežtai draudžiama trenkti lanką arba prijungti įžeminimo laidą dumplių paviršiuje. (2) Kelios apsaugos priemonės, skirtos neardomiesiems bandymams. Prieš formuojant gofruotąjį vamzdį, išilginės suvirinimo siūlės turi būti 100% patikrintos radiografiškai; gofruotiems vamzdžiams, kurių vardinis storis yra mažesnis arba lygus 2,4 mm, vietoj to galima naudoti vienpusį suvirinimą su skvarbumo bandymu tiek vidiniame, tiek išoriniame paviršiuose. Suformavus gofruotąjį vamzdį, turi būti patikrintos visos prieinamos vidinio ir išorinio paviršiaus suvirinimo siūlės. Radiografinio tyrimo vertinimas turi atitikti GB/T 20801.5-2020 išilginėms siūlėms keliamus reikalavimus, o skvarbumo bandymas neturi atskleisti įtrūkimų, įpjovimų ar nepilno įsiskverbimo.
(3) Protingas formavimo proceso pasirinkimas. Gryno titano gofruotiems vamzdžiams, turintiems gerą plastiškumą, gali būti naudojami šalto apdirbimo procesai (hidraulinis formavimas, valcavimo formavimas, sukimosi formavimas, plėtimosi formavimas); titano lydinio gofruotiems vamzdžiams, kuriems taikomi aukštesni eksploatacinių savybių reikalavimai, galima naudoti suvirinimo formavimą (argono lankinį suvirinimą ir plazminį lankinį suvirinimą) arba superplastinį formavimą, kad būtų pašalintas liekamasis įtempis ir užtikrintas matmenų tikslumas. 3. Visapusiškas montavimo, statybos ir eksploatavimo valdymo palaikymas.
3.1 Pagrindiniai valdymo taškai montuojant
Statistiniai duomenys rodo, kad maždaug 20% silfono kompensatoriaus gedimo priežasčių yra dėl įrangos specifikacijų neatitinkančio įrengimo. Toliau pateikiami šeši pagrindiniai diegimo valdymo taškai:
(1) Griežtai draudžiama naudoti geležinius įrankius. Montuojant negalima daužyti ar spausti titano ir titano lydinio vamzdžių geležies įrankiais; gumos arba minkšto plastiko lakštai turi būti dedami tarp anglinio plieno atramų/pakabų ir titano bei titano lydinio vamzdžių, kad būtų išvengta tiesioginio kontakto.
(2) Standartinis atramos įrengimas. Šalia turi būti sumontuotos kreipiančiosios atramos ir-atraminiai laikikliai. Ašiniams kompensatoriams priekinė kreipiamoji atrama turi būti 1–2 kartus didesnė už vamzdžio skersmenį nuo kompensatoriaus, o galinė kreipiamoji atrama turi būti 14–18 kartų didesnė už vamzdžio skersmenį nuo kompensatoriaus, kad būtų užtikrinta, jog dujotiekis pasislinktų tik ašiniu būdu ir neperduotų papildomos įtampos silfonams.
(3) Apsauga nuo šlako. Montavimo metu ant silfono paviršiaus neturi užtaškyti šlakų, taip pat neturi būti daroma kitų mechaninių pažeidimų. Montuojant ir suvirinant vietoje, silfono paviršius turi būti ekranuotas ir apsaugotas suvirinimo proceso metu. (4) Griežtas srauto krypties žymenų laikymasis. Kompensatoriams su vidinėmis movomis įsitikinkite, kad vidinės movos kryptis sutampa su terpės srauto kryptimi; šarnyrinių kompensatorių vyrių sukimosi plokštuma turi sutapti su poslinkio sukimosi plokštuma.
(5) Griežtai draudžiama reguliuoti įrengimo nukrypimus deformuojant kompensatorių. Griežtai draudžiama reguliuoti dujotiekio įrengimo nuokrypius deformuojant silfono kompensatorių, nes tai gali turėti įtakos normaliai kompensatoriaus veikimui ir sutrumpinti jo tarnavimo laiką.
(6) Savalaikis drenažas po slėgio bandymo. Hidrostatiniam bandymui ar valymo skystyje naudojamame vandenyje chlorido jonų kiekis neturi viršyti 25 ppm; atlikus hidrostatinį bandymą, silfonuose susikaupusį vandenį reikia kuo greičiau nusausinti, o vidinį silfono paviršių greitai išdžiovinti.
3.2 Eksploatavimas, priežiūra ir gyvavimo ciklo valdymas
(1) Reguliarus neardomasis bandymas. Naudokite neardomuosius bandymo metodus, pvz., ultragarso bandymą ir skvarbumo testą, kad reguliariai įvertintumėte defektus, pvz., vidinius įtrūkimus ir silfono sienelių išplonėjimą.
(2) Aplinkos kontrolė. Izoliacinėje medžiagoje, besiliečiančioje su silfonu, neturi būti chloro-; reguliariai tikrinkite flanšinių jungčių sandarinimo būklę, kad išvengtumėte pagreitintos korozijos, kurią sukelia vidutinis nuotėkis. (3) Darbo sąlygų duomenų stebėjimas ir išankstinis įspėjimas. Sukuriama paslaugos būsenos duomenų bazė, kurioje pagrindinis dėmesys skiriamas temperatūros ciklų dažnio, slėgio svyravimų amplitudės ir terpės korozijos rodiklių pokyčių stebėjimui, siekiant pereiti nuo „priežiūros po-gedimo“ prie „numatomos priežiūros“.
4. Kiekybiniai inžinerinės praktikos rezultatai
Inžinerinės programos rodo, kad pirmiau minėtų{0}}daugiamatių optimizavimo schemų įgyvendinimas duoda reikšmingų našumo patobulinimų:
Darbinis įtempis sumažėja 31,6%, o nuovargio žalos kaupimosi greitis sumažėja 80,2%.
Numatomas nuovargio laikas pailgėja nuo 5,2 metų iki 15,3 metų, daugiau nei tris kartus.
Leakage rate is reduced to below 0.02%, significantly improving reliability.
Chemijos pramonėje titano silfonai buvo sėkmingai pritaikyti druskos chemijos gamyklose, šarmų gamyklose ir trąšų gamyklose, kur chlorido jonų koncentracija yra didelė ir korozinė, visiškai išsprendžiant greitos korozijos ir trumpos nerūdijančio plieno gaminių naudojimo trukmės problemas. Katalizinio krekingo įrenginiuose nerūdijančio plieno dumplių kompensacinės jungtys sudaro iki 80 % korozijos gedimų, o titano silfono kompensacinės jungtys, pasižyminčios dideliu atsparumu korozijai, turi daug mažesnes bendras eksploatavimo išlaidas nei nerūdijančio plieno gaminių.
5. Išvada Korozijos ir nuovargio gedimų prevencija ir kontrolė titano kompensacinės jungties silfonuose nėra tai, ką galima pasiekti naudojant vieną techninę priemonę, o veikiau sistemingas projektas, apimantis visą grandinę „medžiagų parinkimas → konstrukcijų projektavimas → gamybos procesas → montavimas ir statyba → eksploatacijos ir priežiūros valdymas“. Šiame straipsnyje sistemingai nagrinėjamos įvairių gedimų priežastys ir atitinkami techniniai sprendimai iš penkių matmenų ir daromos šios pagrindinės išvados:
(1) Korozijos prevencija ir kontrolė turėtų būti trijų dalių „medžiagos -formos- procesas“. Medžiagos lygiu griežtai pasirinkite titano rūšis ir kontroliuokite geležies jonų užterštumą; projektavimo lygmeniu optimizuoti vidines ertmės srauto linijas ir tarpo struktūrą; proceso lygiu griežtai kontroliuokite suvirinimo kokybę. Tik atsižvelgus į šiuos tris aspektus, galima sukurti visišką apsaugos nuo korozijos barjerą.
(2) Norint pagerinti nuovargio naudojimo trukmę, reikia laikytis sinergetinio „optimalios struktūros{1}}patobulinto proceso-tvirto patikrinimo metodo“. Struktūriniu lygmeniu naudoti U-formos arba biomimetiškai optimizuotas bangų formas ir tinkamai suderinti sienelės storį bei bangos žingsnį; proceso lygmeniu griežtai įgyvendinkite suvirinimo specifikacijas ir kelių sluoksnių neardomąjį-bandymą; ir projektavimo etape pasilikti pakankamai saugos faktorių, kad iš esmės pailgėtų nuovargio eksploatavimo laikas.
(3) Įrengimas, eksploatavimas ir priežiūra yra „paskutinė mylia“ siekiant užkirsti kelią gedimams ir kontroliuoti. Standartizuotas įrengimas, mokslinis slėgio bandymas, reguliari apžiūra ir aplinkos kontrolė, -neatsižvelgiant į bet kokią smulkmeną, gali sukelti gedimą, ir visa tai turi būti įtraukta į išsamią gyvavimo ciklo valdymo sistemą.
Nuolat kartojantis titano medžiagų apdirbimo technologiją (pvz., laipsniškai bręstant naujoms technologijoms, tokioms kaip superplastinis formavimas ir vakuuminis suvirinimas lazeriu) ir nuolat tobulėjant pažangiosioms bandymų technologijoms, titano kompensacinių jungčių silfonų eksploatavimo patikimumas bus toliau gerinamas, o jų taikymo ekstremaliomis darbo sąlygomis perspektyvos bus dar platesnės.
Kontaktinė informacija:
Tel.: +86-0917- 3664600
WhatsApp: +8618791798690
El. paštas:sales@tmsalloy.com
tina@tmsalloy.com
