Какова минимальная толщина стенки нагревателя с титановой оболочкой, постоянно погруженного в водозабор проточной речной воды (общее количество растворенных твердых веществ 300 частей на миллион, pH 7,2, 25 градусов), чтобы выдерживать кавитацию от соседнего насоса?

Фундаментальный компромисс между титановыми нагревателями и кавитацией, вызванной насосом-
Насосы речных водозаборов перекачивают воду на очистные сооружения или в промышленные системы охлаждения. Иногда нагреватели с титановой оболочкой ставят во избежание замерзания или для поддержания минимальных температур. Если нагреватель находится рядом с входными или выпускными отверстиями насоса, он склонен к кавитации, которая представляет собой образование и быстрое разрушение пузырьков пара в движущейся воде. Кавитация создает локализованные ударные давления более 1000 бар и микроструи со скоростью до 100 м/с. Это приводит к изнашиванию титановых поверхностей по усталостному механизму. Минимальная толщина стенки, позволяющая противостоять кавитационной эрозии, зависит от интенсивности кавитации (зависит от конструкции насоса и скорости потока) и устойчивости титана к циклической нагрузке. Толщина стенки обеспечивает жертвенный слой, который может разрушиться перед перфорацией. Этот анализ определяет минимальную толщину стенок, необходимую для условий кавитации на насосных станциях обычной речной воды.

Влияние на механическую целостность: механизм кавитационной эрозии
Когда местное давление падает ниже давления пара воды, возникает кавитация и образуются пузырьки пара. Эти пузырьки затем быстро схлопываются, когда сталкиваются с областями более высокого давления. Схлопывающийся пузырь создает микро-струю со скоростью 50-150 м/с, ударяющуюся о соседнюю поверхность. Совокупный эффект схлопывания миллионов пузырьков каждую секунду приводит к усталости поверхности, наклепу и, наконец, к потере материала. Продолжительность инкубации (время до начала заметной потери веса) для титана класса 2 зависит от силы кавитации, выражаемой числом кавитации σ=(P - P_vapor) / (0,5 × ρ × v²). Чем ниже σ, тем интенсивнее кавитация.

Нормальные скорости потока на речных водозаборах в месте расположения подогревателя составляют 2–4 м/с. Число кавитации находится в диапазоне от 0,3 до 1,0, что указывает на кавитацию от умеренной до тяжелой. Скорость кавитационной эрозии титана Grade 2 в этих условиях составляет 0,2–0,8 мм в год после инкубации. Сам инкубационный период составляет 100-500 часов. Материал удаляется, а затем удаляется с постоянной скоростью.

Влияние на тепловые характеристики: скорость потока и скорость эрозии
Скорость кавитационной эрозии масштабируется со скоростью в степени 4-6 (чрезвычайно чувствительна). Скорость эрозии снижается в 16–64 раза при уменьшении скорости потока с 4 м/с до 2 м/с. Толщина стенки не влияет на скорость эрозии – она лишь определяет, как долго прослужит нагреватель после начала эрозии. Тепловые характеристики (коэффициент теплопередачи) улучшаются с увеличением скорости потока, что противоречит. Более высокая скорость повышает эффективность нагрева, но существенно увеличивает кавитационную эрозию.

Минимальная толщина стенки Срок службы 10-лет Синтез компромисса
Скорость потока в нагревателе (м/сек) Число кавитации (σ) Скорость эрозии (мм/год) Рекомендуемая стенка (с коэффициентом запаса прочности) Минимальная стенка для 10-летнего срока службы (мм)
1.5 m/s >1,0 (кавитация) 0.00 0.8 мм (структурная) 0,8 мм
0,8 (умеренный) 2,0 м/с 0.10 1.0 мм 1,2 миллиметра
2,5 м/с 0,6 (умеренная) 0.25 2.5 мм 3,0 мм
3,0 м/сек 0,4 (тяжелая) 0.60 6.0 мм Непрактично 4,0 м/сек 0,3 (очень тяжелая) 1.50 15 мм Невозможно
Для обычных речных водозаборов со скоростями потока 1,5–2,0 м/с в месте установки подогревателя (не на непосредственном входе в насос) достаточно стенки толщиной 1,2–1,5 мм на срок 10 лет. При скорости более 2,5 м/с необходимая толщина стены нецелесообразна и требуется перепроектирование.

Инженерное дело за стеной: предотвращение кавитации и перемещение нагревателя
Скорость кавитационной эрозии зависит от четвертой степени скорости или выше, поэтому лучший подход — переместить нагреватель из зон с высокой скоростью. Локально скорость снижается до<0.5 m/sec by putting the heater in a stilling well or behind a perforated baffle, and therefore cavitation is completely eliminated irrespective of the pump operation. Alternatively the heater may be placed downstream of a larger pipe or beam which will generate a wake region with reduced velocity. If relocation is not possible, a cavitation resistant coating, e.g. titanium nitride (TiN, 5–10 µm thick) deposited by physical vapor deposition, raises the surface hardness from 150 HV to 2,500 HV, leading to a 10–20 times reduction in erosion rate. Life with TiN coating is 10+ years at 2.5 m/s with 1.0 mm wall.

Вывод Стенка толщиной 1,5 мм достаточна для типичных условий (v Меньше или равна 2,0 м/с)
Минимальная толщина стенки, необходимая для противодействия кавитации от близлежащего насоса для нагревателя с титановой оболочкой, постоянно погруженного в водозабор проточной речной воды при температуре 25 градусов с общим содержанием растворенных твердых веществ 300 частей на миллион и pH 7,2, является функцией местной скорости потока. При типичной скорости 1,5-2,0 м/с (за пределами непосредственного входа в насос) стенка из титана Grade 2 толщиной 1,2-1,5 мм имеет срок службы 10 лет. Если скорости превышают 2,5 м/с, необходима толщина стенки более 3 мм (непрактично для трубок нагревателя), а нагреватель следует переместить или защитить перегородкой или покрытием. Нагреватели водозабора речной воды должны быть оснащены титановой оболочкой класса 2, толщиной стенки 1,5 мм, на расстоянии не менее 1 м от входа или выхода насоса и установлены с перегородкой, направляющей поток, если это практически возможно. Производитель рассчитает число кавитации и скорость эрозии. Укажите ожидаемую скорость потока в месте расположения нагревателя (м/с) и характеристики насоса. Предотвращение кавитации (уменьшение скорости) намного лучше, чем увеличение толщины стенки.