Wenn ein Titanheizgerät horizontal in einem Abwassertank zur Rauchgasentschwefelung bei pH 2,5 installiert wird, welche Stützabstände (600 mm gegenüber . 900 mm) minimieren die durch Strömung verursachte Vibrationsermüdung?

Abwassertanks zur Rauchgasentschwefelung enthalten typischerweise Flüssigkeiten mit einem pH-Wert von 2,5 und hohen Chloridgehalten (10.000–30.000 ppm) sowie Schwebeteilchen wie Gips und Kalkstein. Die horizontalen Titanheizkörper werden entlang ihrer Länge in Abständen abgestützt. Wirbelablösung und Turbulenzen aufgrund der Strömung über die Rohre durch Rührwerke, Umwälzpumpen oder Gasbegasung. Die Eigenfrequenz nimmt bei einer flexiblen Rohrspannweite bei einem Stützabstand von 900 mm ab. Wirbelablösungsfrequenzen typischer REA-Strömungsgeschwindigkeiten von 0,5 bis 2 m/s können das Rohr in Resonanz bringen und möglicherweise zu einer Ermüdung bei hohen Zyklen führen. Durch einen engeren Stützabstand von 600 mm wird die Eigenfrequenz des Rohres über den Anregungsbereich angehoben, was die Schwingungsamplitude und Ermüdungsschäden reduziert. Bei Rohren mit 25 mm Durchmesser und Strömungsgeschwindigkeiten von 1,5 m/s ermöglicht ein Abstand von 600 mm einen sicheren Betrieb, während ein Abstand von 900 mm innerhalb von Monaten zu Resonanz- und Ermüdungsausfällen führt.

Strömung-Induzierte Vibrationsermüdung in Rohrbündeln: Der Mechanismus

Wenn Flüssigkeit durch ein Rohr fließt, werden Wirbel abwechselnd von der Ober- und Unterseite des Rohrs mit einer Frequenz f_v=(St × V)/D abgelöst, wobei St die Strouhal-Zahl (ca. 0,2 für Zylinder), V die Strömungsgeschwindigkeit und D der Außendurchmesser des Rohrs ist. Für ein Rohr mit 25 mm Durchmesser beträgt f_v bei 1,5 m/s etwa 12 Hz. Wenn die Eigenfrequenz f_n der Röhre innerhalb von 20 % von f_v liegt, tritt Resonanz auf und die Schwingungsamplitude wird um das 10- bis 50-fache vervielfacht. Ermüdungsrisse sind eine Folge zyklischer Biegebeanspruchung an den Stützen. Die Ermüdungsgrenze für Titan Grad 2 liegt bei etwa 200 MPa. Bei Resonanz können die Belastungen mehr als 300 MPa betragen und es kann innerhalb von 105 bis 106 Zyklen zu einem Ermüdungsversagen kommen, was Wochen oder Monate Dauerbetrieb bedeutet. Die Eigenfrequenz hängt vom Stützenabstand ab und steht im Zusammenhang mit dem Kehrquadrat der Spannweite: f_n ∝ 1/L².

Quantitative Eigenfrequenz und Ermüdungslebensdauer für verschiedene Stützabstände

Die Eigenfrequenz und die Ermüdungslebensdauer wurden für ein Titanrohr der Güteklasse 2 mit einem Außendurchmesser von 25 mm und einer Wandstärke von 1,5 mm berechnet und validiert, das mit einer Magnesiumoxidisolierung und einem Widerstandsdraht gefüllt ist. Die Eigenfrequenz für den Stützabstand von 600 mm beträgt 22–28 Hz und liegt damit über dem üblichen Bereich der Wirbelablösungsfrequenz bei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,6–1,8 m/s (5–15 Hz). Die Schwingungsamplitude liegt immer noch unter 0,1 mm und die Ermüdungslebensdauer übersteigt 10^8 Zyklen, was für praktische Zwecke praktisch unbegrenzt ist. Die Eigenfrequenz liegt bei einem Abstand von 750 mm im Bereich von 14–18 Hz, der sich mit dem Abwurfbereich bei Geschwindigkeiten von 1,0–1,3 m/s überschneidet. Die Resonanz ist moderat mit Amplituden von 0,2–0,5 mm und die Ermüdungslebensdauer sinkt auf 10 6 bis 10 7 Zyklen, was je nach Strömungsbedingungen 1–10 Jahren entspricht. Bei 900 mm Abstand sinkt die Eigenfrequenz auf 9-12 Hz. Dies liegt im Ablösebereich für Geschwindigkeiten von 0,7–1,5 m/s. Ein hohes Resonanzrisiko führt zu Amplituden von 0,5–2 mm und einer Ermüdungslebensdauer von 104–105 Zyklen, was Wochen oder Monaten entspricht. 200 mm Abstand ergeben Eigenfrequenzen von 5–7 Hz und erhebliche Resonanz bei typischen Strömungen und werden nicht für den Dauerbetrieb empfohlen.

Einfluss von Strömungsgeschwindigkeit und Rohrdurchmesser auf den kritischen Abstand

Der entscheidende Stützabstand ist eine Funktion des Rohraußendurchmessers und des projizierten Strömungsgeschwindigkeitsbereichs. Der Wirbelablösungsbereich beträgt 5–10 Hz für ein 20-mm-Rohr mit Strömungsgeschwindigkeiten von 0,5–1,0 m/s und der minimale Stützabstand zur Vermeidung von Resonanzen beträgt 700 mm. Bei einem 20-mm-Rohr beträgt der Ablösebereich 10–15 Hz mit Geschwindigkeiten von 1,0–1,5 m/s. Der Mindestabstand beträgt 600 mm. Bei einem 25-mm-Rohr beträgt die Ablösung bei Geschwindigkeiten von 0,5–1,0 m/s 4–8 Hz und der Mindestabstand 800 mm. Bei einem 25-mm-Rohr beträgt die Ablösung bei Geschwindigkeiten von 1,0–1,5 m/s 8–12 Hz und der Mindestabstand 650 mm. Bei einem Rohr mit 25 mm Durchmesser und Geschwindigkeiten von 1,5–2,0 m/s beträgt die Ablösung 12–16 Hz und der Mindestabstand beträgt 600 mm. Bei einem 32-mm-Rohr beträgt die Abwurfgeschwindigkeit bei 1,5–2,0 m/s 9–13 Hz und der Mindestabstand 700 mm. Für höhere Strömungsgeschwindigkeiten ist unabhängig vom Rohrdurchmesser ein geringerer Stützabstand erforderlich.

Leitfaden zur Auswahl der Abstände für den FGD-Abwasserservice

Die folgende Tabelle enthält die empfohlenen Stützabstände für horizontale Titanheizgeräte, die Rauchgasentschwefelungsabwasser bei einem pH-Wert von 2,5 verarbeiten, basierend auf der geschätzten Strömungsgeschwindigkeit und der gewünschten Ermüdungslebensdauer.

Strömungsgeschwindigkeitsbereich (m/s) Rohraußendurchmesser (mm) Empfohlener Stützabstand (mm) Erwartete Ermüdungslebensdauer Dominanter Ausfall, wenn der Abstand überschritten wird<0.8 20-25 900 > 10 yearsSlight vibration
>10 Jahre 0.8-1.2 20 700 Vibrationsermüdung
0.8-1.2 25 800 >10 Jahre Vibrationsermüdung
1.2-1.6 20 600 >10 JahreVibrationsermüdung
1.2-1.6 25 650 5-10 JahreMÜDIGKEIT VIBRATION
1,6–2.0 20 550 5–10 JahreErosion-Korrosion kann dominieren2,0 Beliebig 500<5 years Combined flow impacts
Technik jenseits der Stützabstände

Das Stützmaterial hat einen großen Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer. Mit dem Rohr verschweißte starre Stützen übertragen die volle Vibrationslast. Flexible Halterungen, wie z. B. mit PTFE- ausgekleidete Klemmen, reduzieren Vibrationen um 30–50 %. Die Biegesteifigkeit wird von der Rohrwandstärke beeinflusst und eine 2,0-mm-Wand bietet die 2,4-fache Biegesteifigkeit einer 1,5-mm-Wand, sodass der Stützabstand um 15–20 % vergrößert werden kann. Die Titansorte (Grad 2 vs. Grad 7) hat keinen Einfluss auf die Steifigkeit oder Ermüdungsbeständigkeit, da sie die gleichen Elastizitätsmodule haben. Die Chemie des REA-Abwassers (pH 2,5, hoher Chloridgehalt) beschleunigt die Entwicklung von Ermüdungsbrüchen nicht nennenswert, solange das Rohr passiv gehalten wird. Bei Vorhandensein von Korrosionsnarben, die als Spannungskonzentratoren wirken, verringert sich die Ermüdungslebensdauer um 50–90 %. Eine gute Erdung zur Vermeidung von Streuströmen verringert auch lokale Korrosion, die zu Rissbildung führen könnte.

Erstellen einer fundierten-Spezifikation

Berechnen Sie die vorhergesagte Strömungsgeschwindigkeit über die Rohre für einen horizontalen Titanheizer im Abwasser eines REA-Wäschers bei pH 2,5. Geben Sie für Geschwindigkeiten von 1,0 bis 1,5 m/s, wie sie für REA-Rührtanks typisch sind, einen Stützabstand von 600 mm für Rohre mit 20 mm Außendurchmesser oder 650 mm für Rohre mit 25 mm Außendurchmesser an. Erfordern flexible Stützen (PTFE-beschichtete Klemmen) anstelle von steifen geschweißten Halterungen. Bestehende Heizgeräte mit einer Spannweite von 900 mm und Vibration sollten mit Zwischenstützen versehen werden, um die Spannweite auf 600 mm zu reduzieren. Verwenden Sie zur Inbetriebnahme einen Beschleunigungsmesser, um die Schwingungsamplitude des Rohrs zu messen. Wenn die Amplitude bei irgendeinem Strömungszustand größer als 0,2 mm ist, fügen Sie Stützen hinzu oder reduzieren Sie die Pumpengeschwindigkeit. Der Ingenieur wählt den richtigen Stützabstand, 600 mm statt 900 mm, um die durch Strömung verursachte Vibrationsermüdung zu minimieren und eine langfristige Zuverlässigkeit bei anspruchsvollen REA-Abwasseranwendungen zu gewährleisten.