Cuando se instala horizontalmente un calentador de titanio en un tanque de efluentes de desulfuración de gases de combustión a pH 2,5, ¿qué espacio entre soportes (600 mm frente a . 900 mm) minimiza la fatiga por vibración inducida por el flujo-?

Los tanques de efluentes de desulfuración de gases de combustión suelen contener líquido con un pH de 2,5 y altos niveles de cloruro (10.000-30.000 ppm) y partículas suspendidas como yeso y piedra caliza. Los calentadores horizontales de titanio están apoyados a lo largo de su longitud a intervalos. Desprendimiento de vórtices y turbulencia debido al flujo a través de los tubos proveniente de agitadores, bombas de recirculación o rociado de gas. La frecuencia natural disminuye para un tramo de tubo flexible a una distancia de soporte de 900 mm. Las frecuencias de generación de vórtices de caudales típicos de FGD de 0,5 a 2 m/s pueden excitar el tubo para que entre en resonancia y potencialmente provocar una fatiga de ciclo elevado. La frecuencia natural del tubo se eleva por encima del rango de excitación mediante el uso de un espaciado de soporte más cercano de 600 mm, lo que reduce la amplitud de la vibración y el daño por fatiga. Para tubos de 25 mm de diámetro a velocidades de flujo de 1,5 m/s, una separación de 600 mm permite un funcionamiento seguro, mientras que una separación de 900 mm produce una ruptura por resonancia y fatiga en cuestión de meses.

Flujo-Fatiga por vibración inducida en haces de tubos: el mecanismo

A medida que el fluido fluye a través de un tubo, se desprenden vórtices alternativamente desde las superficies superior e inferior del tubo con una frecuencia f_v=(St × V)/D, donde St es el número de Strouhal (alrededor de 0,2 para cilindros), V es la velocidad del flujo y D es el diámetro exterior del tubo. Para un tubo de 25 mm de diámetro a 1,5 m/s, f_v es de aproximadamente 12 Hz. Si la frecuencia inherente del tubo f_n está dentro del 20% de f_v, se produce resonancia y la amplitud de la vibración se multiplica de 10 a 50 veces. El agrietamiento por fatiga es una consecuencia de la tensión de flexión cíclica en los soportes. El límite de fatiga del titanio de grado 2 es de unos 200 MPa. En resonancia, las deformaciones pueden ser superiores a 300 MPa y la falla por fatiga puede ocurrir en 105 a 106 ciclos, lo que significa semanas o meses de funcionamiento continuo. La frecuencia natural depende del espaciamiento de los apoyos y está relacionada con el cuadrado inverso de la longitud del vano: f_n ∝ 1/L².

Frecuencia natural cuantitativa y vida a fatiga para diversos espaciamientos de soporte

La frecuencia natural y la vida a fatiga se han calculado y validado para un tubo de titanio de grado 2, de 25 mm de diámetro exterior y 1,5 mm de espesor de pared, relleno con aislamiento de óxido de magnesio y un cable de resistencia. La frecuencia natural para el espaciado de soporte de 600 mm es de 22 a 28 Hz, que es mayor que el rango común de frecuencia de generación de vórtices a velocidades de flujo de 0,6 a 1,8 m/s (5 a 15 Hz). La amplitud de la vibración todavía está por debajo de 0,1 mm y la vida de fatiga supera los 10 ^ 8 ciclos, lo que es efectivamente ilimitado a efectos prácticos. La frecuencia natural con una separación de 750 mm está dentro del rango de 14 a 18 Hz, que se superpone con el rango de desprendimiento a velocidades de 1,0 a 1,3 m/s. La resonancia es moderada con amplitudes de 0,2 a 0,5 mm y la vida a la fatiga se reduce a 10 6 a 10 7 ciclos, lo que equivale a 1 a 10 años dependiendo de las condiciones de flujo. La frecuencia natural cae a 9-12 Hz con un espaciado de 900 mm. Esto está en el rango de desprendimiento para velocidades de 0,7 a 1,5 m/s. El alto riesgo de resonancia genera amplitudes de 0,5 a 2 mm y una vida útil de fatiga de 104 a 105 ciclos, que son semanas o meses.. 1, el espaciado de 200 mm proporciona frecuencias naturales de 5 a 7 Hz y una resonancia significativa con flujos típicos y no se recomienda para ningún servicio continuo.

Efecto de la velocidad del flujo y el diámetro del tubo en el espaciamiento crítico

El espaciamiento crucial de los soportes es función del diámetro exterior del tubo y del rango proyectado de velocidad del flujo. El rango de generación de vórtices es de 5 a 10 Hz para un tubo de 20 mm con velocidades de flujo de 0,5 a 1,0 m/s y la distancia mínima de soporte para evitar resonancia es de 700 mm. Para un tubo de 20 mm, el rango de desprendimiento es de 10 a 15 Hz con velocidades de 1,0 a 1,5 m/s. La distancia mínima es de 600 mm. Para un tubo de 25 mm a velocidades de 0,5 a 1,0 m/s, el desprendimiento es de 4 a 8 Hz y el espacio mínimo es de 800 mm. Para un tubo de 25 mm a velocidades de 1,0 a 1,5 m/s, el desprendimiento es de 8 a 12 Hz y el espacio mínimo es de 650 mm. Para un tubo de 25 mm de diámetro y velocidades de 1,5 a 2,0 m/s, la desconexión es de 12 a 16 Hz y el espacio mínimo es de 600 mm. Para un tubo de 32 mm a velocidades de 1,5 a 2,0 m/s, el desprendimiento es de 9 a 13 Hz y el espacio mínimo es de 700 mm. Cuanto más estrecha sea la separación entre soportes, mayores serán las velocidades de flujo, independientemente del diámetro del tubo.

Guía de selección de espaciamiento de soporte de servicio de efluentes FGD

La siguiente tabla proporciona el espaciado de soporte recomendado para calentadores de titanio horizontales que manejan efluentes de desulfuración de gases de combustión a un pH de 2,5 según la velocidad de flujo estimada y la vida de fatiga deseada.

Rango de velocidad del flujo (m/s) Diámetro exterior del tubo (mm) Espaciado recomendado entre soportes (mm) Vida útil esperada por fatiga Falla dominante si se excede el espaciado<0.8 20-25 900 > 10 yearsSlight vibration
>10 años 0.8-1.2 20 700 Fatiga vibratoria
0.8-1.2 25 800 >10 años Fatiga por vibración
1.2-1.6 20 600 >10 añosFatiga vibratoria
1.2-1.6 25 650 5-10 añosVIBRACIÓN POR FATIGA
1,6–2.0 20 550 5–10 añosErosión-la corrosión puede predominar 2,0 Cualquier 500<5 years Combined flow impacts
Ingeniería más allá del espaciado de soporte

El material de soporte tiene un gran impacto en la vida a fatiga. Los soportes rígidos soldados al tubo transmiten toda la carga de vibración. Los soportes flexibles, como las abrazaderas revestidas de PTFE-, reducen la vibración entre un 30 % y un 50 %. La rigidez a la flexión está influenciada por el espesor de la pared del tubo y una pared de 2,0 mm ofrece 2,4 veces la rigidez a la flexión de una pared de 1,5 mm, lo que permite aumentar el espacio entre soportes entre un 15 y un 20 %. El grado de titanio (Grado 2 frente a Grado 7) no afecta la rigidez ni la resistencia a la fatiga ya que tienen los mismos módulos elásticos. La química del efluente de FGD (pH 2,5, alto contenido de cloruros) no acelera apreciablemente el desarrollo de fracturas por fatiga mientras el tubo se mantenga pasivo. En presencia de picaduras de corrosión, que actúan como concentradores de tensiones, la vida a fatiga se reduce entre un 50 y un 90 %. Una buena conexión a tierra para evitar corrientes parásitas también reduce la corrosión local que podría ser el lugar de desarrollo de grietas.

Crear una especificación bien-fundamentada

Calcule la velocidad de flujo prevista sobre los tubos para un calentador de titanio horizontal en el efluente del depurador FGD a pH 2,5. Para velocidades de 1,0 a 1,5 m/s, típicas de tanques FGD agitados, especifique una separación entre soportes de 600 mm para tubos de 20 mm de diámetro exterior o 650 mm para tubos de 25 mm. Requiere soportes flexibles (abrazaderas revestidas de PTFE) en lugar de soportes soldados rígidos. A los calentadores existentes con una luz de 900 mm y vibración se les deben agregar soportes intermedios para reducir la luz a 600 mm. Para la puesta en marcha, utilice un acelerómetro para medir la amplitud de vibración del tubo. Si la amplitud es superior a 0,2 mm en cualquier condición de flujo, agregue soportes o reduzca la velocidad de la bomba. El ingeniero selecciona el espacio de soporte correcto, 600 mm en lugar de 900 mm, para minimizar la fatiga por vibración inducida por el flujo-para confiabilidad a largo plazo-en servicios severos de efluentes FGD.