Как концентрация хлоридов выше 20 000 частей на миллион в скрубберах для десульфурации дымовых газов определяет минимальную стенку титановой трубы для предотвращения точечных отверстий?

Угольные-электростанции и промышленные котлы оснащены скрубберами десульфурации дымовых газов (ДДГ), которые работают в самых агрессивных условиях экологического оборудования. Жидкость скруббера представляет собой сложную смесь сульфита/сульфата кальция, летучей золы и растворенных хлоридов, которые концентрируются при рециркуляции контура скруббера. Титан класса 2 был стандартным конструкционным материалом для трубок промежуточного нагревателя и распылительных коллекторов в системах ДДГ из-за его устойчивости к сульфитному воздействию. Однако концентрации хлоридов часто превышают 20 000 частей на миллион (2%) в скрубберах ДДГ и могут даже достигать 50 000-80 000 частей на миллион в системах с нулевым-сбросом жидкости-. При таких концентрациях хлоридов титан чувствителен к точечной и щелевой коррозии, и единственной защитой от сквозного перфорирования является сама стенка трубы, как ее толщина, так и металлургическое качество. В этой статье представлена ​​минимальная толщина стенки титановой трубы, необходимая для предотвращения точечной перфорации, в зависимости от концентрации хлоридов, температуры и щелей при эксплуатации скруббера ДДГ.

Питтинг металлов в щелоке ДДГ с высоким содержанием хлоридов
Питтинговая коррозия титана в условиях ДДГ с высоким-Cl и низким-pH следует хорошо-задокументированной схеме инициирования-распространения. Разрушение пассивной пленки TiO 2 происходит в отдельных местах, где ионы хлорида замещают кислород в решетке пленки. После запуска ямы раствор хлорангидридной кислоты в яме (рН может упасть до 1-2) продолжает активное растворение, при этом окружающая пассивная поверхность защищена. Ямка расширяется полусферически, и время перфорации примерно пропорционально квадрату толщины стенки для конкретной скорости роста ямки.

Критическая температура питтинга (КПТ) титана марки 2 в хлоридных растворах снижается с увеличением концентрации хлоридов. При pH 4 (типично для скрубберов ДДГ) 20 000 частей на миллион Cl- дают CPT около 85 градусов, что превышает среднюю рабочую температуру скруббера в 70 градусов и обеспечивает запас безопасности. При 40 000 ppm Cl- CPT снижается до 70 градусов, т.е. скруббер работает точно на пороге. Температура CPT падает до 55 градусов при концентрации Cl- 60 000 ppm, и при нормальных рабочих температурах может возникнуть активное точечное выкрашивание. Скорость распространения ямок логарифмически возрастает с увеличением концентрации хлоридов: при 20 000 ppm Cl- и 70 градусах распространяющаяся ямка углубляется на 0,2-0,3 мм в год; при 40 000 ppm Cl- скорость составляет 0,5-0,8 мм в год; при 60 000 ppm Cl- регистрируются темпы 1,0-1,5 мм в год.

Толщина стенки: подход к предотвращению точечных отверстий
Минимальная толщина стенки, необходимая для обеспечения 5-летнего срока службы без точечной перфорации нагревателей скрубберов ДДГ и пучков труб, зависит от прогнозируемой скорости распространения ям и статистического распределения мест начала ям. Используется консервативная модель роста ямы (глубина ямы =k*t^0,5, где k — функция концентрации хлоридов), и предполагается, что срок службы трубки определяется самой глубокой ямой. Требуемая толщина стенки рассчитывается как:

Константа распространения ямок k при 20 000 ppm Cl- составляет 0,28 мм/год^0,5. Для срока службы 5 лет максимальная глубина ямки=0.28 × √5=0.63 мм. Запас прочности для трубки со стенкой 1,2 мм составляет около 0,6 мм, что достаточно для чистых трубок без ранее существовавших проблем.

40 000 частей на миллион Cl- k=0.48 мм/год^0,5 Максимальная глубина ямки за 5 лет=0.48 * sqrt(5)=1.07 мм. 1.65 мм стенка трубы обеспечивает запас, труба диаметром 1,2 мм может перфорироваться.

k=0.70 мм/год 0,5 при 60 000 ppm Cl-. Максимальная глубина ямы за 5 лет=0.7 × √5=1.57 мм. Для надежной службы в течение 5 лет необходима трубка толщиной 2,0 мм.. 1.65 мм хватит только на 3–4 года.

Титановые трубки для скрубберов ДДГ. Матрица применения
Тип системы ДДГ Типичная концентрация хлоридов Рекомендуемая марка титана Минимальная толщина стенки Ожидаемый срок службы
Угольная электростанция, влажный известняк (регулируемый поток отвода) 15 000–25 000 ppm Марка 2 1.2-1.5 мм 5–8 лет
Угольная электростанция, уголь с высоким содержанием хлоридов 25 000–40 000 ppm Марка 2 или Марка 7 1.65 мм 4–6 лет
Нулевой-жидкий-разряд ДДГ (замкнутый контур) 40 000–60 000 ppm Класс 7 (Ti-0,15Pd) 2,0 мм 5–7 лет
Промышленный котел ДДГ (переменный уголь) 10 000–20 000 ppm Марка 2 .8-.12 мм 8–10 лет
Отходы-в-энергию ДДГ (высокое содержание хлоридов в отходах) 50 000–80 000 ppm Класс 12 или класс 7 2.5 мм 4–6 лет
Качество труб и проблемы с щелями
Существующие-щели в трубке не предотвращают точечную перфорацию, даже если толщина стенки увеличивается. При эксплуатации скруббера ДДГ щели присутствуют в местах соединения труб-с-трубной решеткой, под прокладками и под отложениями гипса или летучей золы. Щелевая коррозия увеличивает скорость возникновения и распространения ямок в 3-10 раз. Сварные соединения трубы- с трубной решеткой (без трещин) предпочтительнее катаных или фланцевых соединений при любой концентрации хлоридов выше 20 000 частей на миллион. Поверхности труб не должны иметь окалины, вкраплений частиц железа (от формовочных инструментов) и поверхностных царапин глубиной более 10 процентов толщины стенки. Наилучшую устойчивость к точечной коррозии обеспечивают электрополированные или травленые поверхности.

Для скрубберов ДДГ, работающих при 70 градусах с концентрацией хлоридов выше 20 000 частей на миллион, минимальная толщина стенки титановой трубы составляет 1,65 мм для класса 2 в системах с умеренной концентрацией (20 000-40 000 частей на миллион), а для систем класса 7 выше 40 000 частей на миллион - до 2,0 мм. Инженеры должны указать протравленные или электрополированные поверхности труб, сварные, а не катаные соединения труб-с трубной решеткой и еженедельно контролировать концентрацию хлоридов, чтобы обнаружить нарушения до того, как произойдет точечная перфорация. При уровне хлоридов более 60 000 частей на миллион следует рассмотреть возможность использования других материалов, таких как титан 12 класса или цирконий.