Unidades de dessulfurização de gases de combustão (FGD) em usinas termelétricas a carvão-usam reaquecedores para aumentar a temperatura do gás de combustão limpo antes que ele entre na chaminé. O titânio é o material preferido devido à sua resistência à corrosão em ambientes ácidos-ricos em cloreto. No entanto, o gás de combustão FGD contém partículas de cinzas volantes-angulares, duras (principalmente sílica e alumina), com tamanhos variando de 1 a 100 µm. Essas partículas viajam com o gás a velocidades de 15–25 m/s. Quando o fluxo de gás encontra uma curva no tubo de titânio, as partículas mais pesadas não conseguem mudar de direção tão rapidamente quanto o gás. Eles continuam ao longo de sua trajetória original, impactando a parede do tubo no raio externo da curva. Este impacto de partículas causa erosão, removendo preferencialmente material do lado montante da curva. Com o tempo, o afinamento da parede leva à perfuração e vazamento de gases de combustão ou condensado.

Mecanismo de erosão de cinzas volantes em curvas de tubos

O mecanismo de erosão é uma combinação de desgaste por impacto e corte. Partículas de cinzas volantes atingem a superfície do titânio em ângulos normalmente de 20 a 50 graus em relação à tangente da superfície. O titânio, embora resistente, tem dureza relativamente baixa (180–220 HV para Grau 2) em comparação com a sílica (aproximadamente 1.200 HV). Cada impacto de partícula desloca um pequeno volume de titânio-da ordem de 1–10 µm³ para uma partícula de 20 µm a 20 m/s. A taxa de erosão segue uma lei de potência: Erosão ∝ (V)^n × (d)^m × (concentração de partículas), onde V é a velocidade, d é o diâmetro da partícula, n é aproximadamente 2,3 para titânio e m é aproximadamente 2,0. Nas curvas, a velocidade efetiva de impacto é maior que a velocidade do gás a granel devido à aceleração das partículas ao longo da curva. O lado a montante do tubo recebe a maior densidade de impactos porque as partículas ainda não foram desviadas por colisões anteriores.

Taxas quantitativas de erosão em diferentes locais de curvatura

Medições de campo e testes de laboratório (velocidade do gás de 20 m/s, cinzas volantes de 50 mg/m³, tamanho médio de partícula de 20 µm) estabeleceram as seguintes taxas de erosão para titânio de Grau 2:

Seção de tubo reto, fluxo uniforme: Taxa de erosão de 0,05–0,10 mm por ano. A remoção de material é relativamente uniforme em toda a circunferência. Aceitável para vida útil de 10 a 15 anos com espessura de parede de 1,5 mm.

Raio externo de curvatura, cotovelo de 90 graus, lado a montante: Taxa de erosão de 0,6–1,2 mm por ano. A perda máxima da parede ocorre no ponto onde a trajetória da partícula entra em contato pela primeira vez com o tubo. O desbaste localizado pode perfurar uma parede de 1,5 mm em 1–2 anos.

Raio externo de curvatura, lado a jusante (após impacto): Taxa de erosão de 0,2–0,4 mm por ano. As partículas perderam energia cinética após o impacto inicial. A erosão secundária ainda é significativa.

Raio interno da curvatura (intrados): Taxa de erosão de 0,02–0,05 mm por ano. Menor densidade de impacto de partículas. Geralmente protegido pela camada limite de gás.

Múltiplas curvas em série (por exemplo, reaquecedor de serpentina): As taxas de erosão aumentam em 20–50% em cada curva subsequente porque as partículas se tornam mais angulares e agressivas após os impactos iniciais.

Guia de Mitigação de Erosão e Seleção de Projeto

A tabela a seguir fornece uma estrutura de decisão para gerenciar a erosão de cinzas volantes em curvas de tubos de titânio com base na carga de partículas e na velocidade do gás:

Engenharia além da resistência à erosão

O grau da liga de titânio afeta a resistência à erosão. O grau 7 (paládio-estabilizado) tem dureza (180–220 HV) e taxa de erosão semelhantes ao grau 2. O grau 12 (molibdênio-níquel) é um pouco mais duro (200–240 HV) e reduz a erosão em 15–20%. Os tratamentos de superfície podem melhorar a resistência à erosão: a nitretação produz uma camada superficial de TiN (500–800 HV) que reduz a erosão em 70–80%, mas acrescenta custos. A espessura da parede do tubo nas curvas deve ser aumentada além do requisito da seção reta. Um projeto típico usa parede de 1,5 mm para seções retas e parede de 2,5 mm para raios externos de curvatura. A geometria da dobra é crítica: curvas de raio-longo (R=5D) sofrem erosão 50% menor do que curvas de raio-padrão (R ​​= 1.5D). O padrão de fluxo de gás pode ser modificado girando as palhetas a montante das curvas para redirecionar as partículas para longe do raio externo.

Fazendo uma especificação informada

Ao especificar um tubo reaquecedor de titânio para serviço FGD com cinzas volantes, identifique todas as curvas no caminho do gás. Para cada curva, especifique uma espessura de parede aumentada (2,0–2,5 mm) no raio externo, usando um tubo dobrado sem costura com parede mais espessa ou aplicando uma camada de solda de titânio ou carboneto de tungstênio no lado a montante. Solicite modelagem computacional de dinâmica de fluidos (CFD) de trajetórias de partículas através do reaquecedor para identificar zonas de alta-erosão. Durante a operação, realize testes ultrassônicos de espessura anualmente nos raios externos de curvatura. Estabeleça um limite crítico de espessura de parede (por exemplo, 0,8 mm restantes) no qual o tubo deve ser substituído ou reparado. Para novas instalações, especifique um raio de curvatura mínimo de 3D (três vezes o diâmetro externo do tubo). Se restrições de espaço exigirem curvas apertadas (R=1.5D), será necessário revestimento de carboneto de tungstênio ou luvas de desgaste substituíveis. Ao abordar a erosão preferencial nas curvas como uma consideração de projeto distinta, o engenheiro estende a vida útil dos reaquecedores FGD de titânio de 1 a 2 anos para 10 a 15 anos em fluxos de gases de combustão carregados de-cinzas-.