On the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment

We propose a new method for the prediction of erosive wear of a heat-transfer surface as particle-laden gas medium flows about it. To determine the characteristics of particles at the instant of their collision with the surface, we have developed a model of flow with regard for the Magnus, Saffman,...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
Автори та афіліації:	Yatsenko V.P.
Ключові слова:	keywords
1. Verfasser:	Yatsenko V.P.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainisch
Veröffentlicht:	General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2006
Schlagworte:	erosion ash particles wear intensity.
Online Zugang:	https://systemre.org/index.php/journal/article/view/283
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	System Research in Energy
Завантажити файл:

Institution

System Research in Energy

_version_	1871103466632380416
author	Yatsenko V.P.
author_facet	Yatsenko V.P.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Yatsenko V.P.", "institution": null } ]
author_sort	Yatsenko V.P.
baseUrl_str	https://systemre.org/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-18T12:57:35Z
description	We propose a new method for the prediction of erosive wear of a heat-transfer surface as particle-laden gas medium flows about it. To determine the characteristics of particles at the instant of their collision with the surface, we have developed a model of flow with regard for the Magnus, Saffman, and thermophoresis forces. For conditions of flow about an economizer pipe, we have carried out computations of the wear intensity induced by ash particles.
first_indexed	2026-03-24T02:01:18Z
format	Article
fulltext	ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • №13/2006 81 Значну кількість відмов у роботі енергобло- ків теплових електростанцій (ТЕС) спричинено пошкодженнями котельного устаткування, зок- рема поверхонь нагрівання. За даними [1], у 2004 році на блочному устаткуванні конденса- ційних ТЕС України сталося 262 пошкодження теплообмінних поверхонь (ТП), що становить 56,9% усіх порушень на енергоблоках. Понад 60% цієї кількості припадає на пароперегрівачі та водяні економайзери. Аналіз пошкоджень за класифікаційними ознаками показує, що основ- ними причинами виходу з ладу котельних труб є їх корозійно-ерозійне зношування, частка якого, згідно з [1], на окремих блоках може сягати 66%. Зазначимо, що порівняно з 2003 роком, у 2004 році кількість пошкоджень ТП збільшилась на 6,3%. Відомо, що основною причиною ерозії повер- хонь котельних труб є взаємодія з ними части- нок золи, які містяться у продуктах згоряння. Проблеми ерозійного зношування виникають навіть при спалюванні проектного палива у про- ектних режимах. Але вони особливо посилюють- ся при використанні високозольного вугілля, постачання якого на ТЕС останнім часом здій- снюється досить часто. У зв'язку з цим розробка методів прогнозування кількісних показників ерозії теплообмінних поверхонь котлів є акту- альною. Розглянемо поперечне обтікання теплообмін- ної труби ниспадним потоком димових газів з частинками золи. Схему течії наведено на рис. 1. Тут – швидкість і температура газу вда- лині від труби; D – її діаметр; ϕ – кут між віссю x і радіус-вектором r, який проходить через точку зіткнення золової частинки з трубою. Вважати- мемо, що течія газу має дві області – потенціаль- не ядро і розташований на поверхні труби погра- ничний шар товщиною d. Процес взаємодії частинок з поверхнею, яка обтікається, характеризується коефіцієнтом осадження η. Ця величина визначається як відно- шення числа частинок, що зіткнулися з трубою, до загального їх числа, які могли б зіткнутись, як- би рухались прямолінійно. При рівномірному розподілі частинок вдалині від труби η = (yп – yл)/D, де yл, yп – ліва і права границі інтервалу значень ординат точок старту y, таких, що при y ∈ (yл , yп) частинки осідають, а при y (yл , yп) не осідають на поверхню труби. При зіткненні частинок з трубою вони вида- ляють з її поверхні деяку кількість матеріалу об'ємом V = n V0 , де n – число зіткнень, V0 – об'єм, який зрізається однією частинкою. Число зіт- кнень в одиницю часу на одиницю довжини тру- би може бути обраховано за формулою де µ, δ, ρ – концентрація, діаметр і густина части- нок, ρg – густина газу. Глибина кратера, який утворюється від золо- вого зношування, віднесена до площі лобової по- верхні труби ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ ПРОГНОЗУВАННЯ ЕРОЗІЙНОГО ЗНОШУВАННЯ ТЕПЛООБМІННИХ ПОВЕРХОНЬ КОТЕЛЬНОГО УСТАТКУВАННЯ УДК 621.182.42:532.529 В.П. ЯЦЕНКО, канд. техн. наук (Інститут загальної енергетики НАН України, Київ) Запропоновано метод прогнозування ерозійного зношування теплообмінної поверхні при обтіканні її газовим потоком із твердими частинками. Для визначення характеристик частинок у момент їх зіткнення з поверхнею розроблено модель обтікання, в якій враховано сили Магнуса, Сафмена і термофореза. Для умов обтікання труби економайзера виконано числові розрахунки інтенсивності ерозії, викликаної частинками золи. Рис. 1. Схема обтікання (1) (2) 82 ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • №13/2006 Вивченню механізму зіткнення одиничних частинок з поверхнею і визначенню кількості ма- теріалу, що видаляється при зіткненні, в літерату- рі приділяється значна увага [2-4]. Аналіз відо- мих даних дозволяє зробити висновок, що основ- ними факторами, які впливають на величину V0 і ерозії в цілому, є кут атаки α (кут між напрямом руху частинки і дотичною до поверхні в точці зіт- кнення), швидкість U руху частинки, її абразивні властивості і міцнісні характеристики матеріалу поверхні обтікання. Теплообмінне обладнання котельних агрега- тів, зокрема труби пароперегрівачів, колекторів, економайзерів виготовляється з маловуглецевої, відносно пластичної сталі. Для таких матеріалів об'єм металу V0 , що зрізується з ТП, може бути обчислений за залежностями, наведеними в [4]. З використанням результатів [4] глибина кратера де σ – межа плинності металу. Для обчислення h за рівняннями (3) необхід- но мати інформацію про коефіцієнт осадження частинок і величину їх швидкості U в момент зіт- кнення. Ці величини можуть бути отримані з мо- делі обтікання циліндричного тіла пилогазовим потоком. Аналіз літературних даних, які стосуються поперечного обтікання циліндра двофазовим по- током, показує, що в більшості випадків розгля- даються моделі зі спрощеними припущеннями відносно силових факторів f, що діють на час- тинки. Зокрема, в роботі [5] з усього набору f враховувалась лише сила аеродинамічного опо- ру fa , а в [6] fa і сила тяжіння fg. В роботі [7] рів- няння руху частинок доповнені виразами для сил Сафмена fS, термофорезу fт і турбофорезу fтф. Раніше нами [8] розглянуто неізотермічне обтікання теплообмінної поверхні двофазовим потоком, де, крім fa , fg , fS , fт, враховувалась та- кож сила Магнуса fМ. Ерозійні процеси в [6-8] не розглядалися. Числовий аналіз золового зношу- вання циліндричної труби, виконаний в [5] в ізо- термічній постановці без урахування fМ, fS, fт, fg і пограничного шару, на нашу думку, не дає дос- татньої інформації про закономірності ерозії в реальних котельних агрегатах. Нижче наводять- ся результати розробки моделі для обчислення величин η, U, в якій перераховані вище обмежен- ня усунуті. Рух частинок навколо горизонтального цилін- дра (рис. 1) описується лагранжевими рівняннями де m – маса частинки, uх, uy – її поздовжня (вздовж осі x) і поперечна складові швидкості. Величини силових факторів будемо знаходи- ти за залежностями, наведеними в [8]. На відміну від [8] при обчисленні коефіцієнтів СМ і СS у ви- разах для сил Магнуса і Сафмена скористаємося експериментальними даними, отриманими нами раніше [9, 10]. Для розв'язання системи (4), (5) вона повинна бути доповнена даними про поля швидкостей Ug(r, ϕ) і температур Тg(r, ϕ) газу. Рів- няння ліній течії ψ для потенціального потоку має вигляд Складові швидкості газу знаходяться з виразів ugx= dψ/dy і ugy= – dψ/dx. Для знаходження швидкості газу Ug у погра- ничному шарі необхідно перейти від декартової системи координат до полярної. Згідно з теорією пограничного шару Г. Шліхтінга [11] величину швидкості можна апроксимувати залежністю де – швидкість газу на межі по- граничного шару; Z – безрозмірна відстань до по- верхні циліндра, Z = (2r – D)/2d. В рамках такого підходу виникає задача знаходження товщини пограничного шару. Згідно з тією ж теорією, від- ношення товщини втрати імпульсу d* до d знахо- диться з виразу де величина ∆ ∈ [-12, 12] і в першому наближенні може бути прийнята рівною нулю. Товщина втрати імпульсу є функцією числа Рейнольдса Re потоку, що набігає, і кута ϕ де Re = ·D/ν, ν – в'язкість газу. Обробка даних [11] дозволила нам отримати кусочно-неперервну функцію, яка апроксимує за- лежність f(ϕ) у чотирьох діапазонах зміни кута ϕ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ (3) (5) (4) (6) (7) (8) ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • №13/2006 83 Температура газу Tg(r,ϕ) вдалині від циліндра незмінна. Вона змінюється лише в безпосередній близькості від його поверхні – в межах теплового пограничного шару товщиною dT. Аналіз літера- тури показав, що величину dT можна знайти з ви- разу dT = kd, k – коефіцієнт, k > 1. Згідно з [6] при ϕ = 0 k = 2,3 і суттєво не змінюється при збіль- шенні ϕ. Приймемо це значення k для подальших розрахунків dT. Будемо вважати, що перенос тепла в погра- ничному шарі здійснюється лише теплопровід- ністю. Тоді, для стаціонарних умов поле темпера- тур у циліндричній області товщиною dT задо- вольняє рівнянню Лапласа з крайовими умовами Tg = Tw при r = 0,5D і при r = 0,5D + dT. Тут λ – коефіцієнт теплопровідності газу; Tw – темпера- тура поверхні циліндра; kp – коефіцієнт, який враховує "розмитість" температурного поля на межі теплового пограничного шару і набігаючого потоку. Нами прийнято kp = 0,95. Розв'язок (9) з наведеними граничними умо- вами має вигляд де KD = ln((D + 2d)/D). З (10) отримаємо Динамічні характеристики частинок після взаємодії їх з ТП знаходились із співвідношень де kn, kτ – коефіцієнти відновлення нормальної un і тангенціальної uτ складових швидкості части- нок; -1 < kn < 0; -1 < kτ < 1; ω – кутова швидкість частинок. Спільне розв'язання рівнянь (4) – (8), (10), (13) дозволяє розрахувати коефіцієнти осаджен- ня частинок та їх швидкості U. На рис. 2 наведено траєкторії частинок δ = 40 мкм, побудовані за ре- зультатами розрахунків неізотермічного ( = 1100 K, Tw = 500 K) обтікання циліндра діаметром D = 0,032 м при швидкості потоку = 10 м/с, kn = – 0,7, kτ = 0,3. Тут Х = х/D, Y = y/D. Рис. 2, а відповідає розрахункам з урахуванням у рівнян- нях (4), (5) всіх силових факторів (варіант А), рис. 2, б – тільки fa , fg (варіант Б). Величина ку- тової швидкості ω в момент зіткнення з цилін- дром обраховувалась за залежністю ω = /δ . З порівняння наведених даних видно, що під дією всіх силових факторів частинки зміщуються в напрямку осі потоку. В кінцевому підсумку це призведе до зростання коефіцієнта осадження η і до збільшення ерозії теплообмінної поверхні. У табл. 1 і 2, як приклад, наведено результа- ти розрахунків нормальної і тангенціальної складових швидкості частинок і кута ϕ для заз- начених вище умов обтікання. Аналіз цих даних показує, що врахування у рівняннях (4), (5) всіх силових факторів істотно не впливає на величи- ну un, uτ і, відповідно, модуля повної швидкості U в момент зіткнення частинок з циліндром. В ізотермічних умовах величини un, uτ більші, ніж у неізотермічних. Оскільки згідно з (3) ерозія поверхонь посилюється з ростом швидкості час- тинок, то при збільшенні слід було б чекати її зменшення. В реальних умовах абразивне зно- шування залежить не тільки від un, uτ , а й від ме- ханічних властивостей матеріалу ТП, які суттє- во змінюється зі зміною температури газу, а от- же і самої поверхні. ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ Рис. 2. Траєкторії частинок (9) (10) . (11) (12) (13) 84 ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • №13/2006 Отримані результати моделювання обтікання циліндра дозволяють перейти до прогнозування ерозійного зношування теплообмінних повер- хонь. Виконаємо розрахунки величини h для умов обтікання труби економайзера діаметром D = 0,032 м димовими газами з частинками золи, характеристики якої наведені в [12]. Згідно з [5] швидкість димових газів на ділянці газоходу, де розташовані труби економайзера, має величину Ug = 7 м/с. Гранулометричний склад золи може бути ап- роксимований залежністю у формі Розіна – Рам- млера де R(δ) – залишок на ситі з комірками δ , %; δ * – розмір комірки сита, залишок на якому дорівнює 36,8 %, δ * = 0,048 мм; m = 0,882. Котельні безшовні труби для пароперегріва- чів, економайзерів і колекторів виготовляються зі сталі марки 20. Аналіз довідкової літератури [13] для цієї сталі дозволив підібрати апроксиму- ючу залежність σ(Τω) в інтервалі температур 293 < Тw < 1200 К: де σ0 – межа плинності при температурі Тw0 = 293 K. За цими вихідними даними для кожної фрак- ції обчислювались величини η, un, uτ, α, ϕ, які ви- користовувались у розрахунках інтенсивності ерозії за залежностями (3). На рис. 3 наведено деякі результати розрахунків залежності h(ϕ) для варіантів А (суцільні лінії) і Б (штрихові лі- нії). Аналіз результатів показав, що величина максимального зношування hmax викликаного дрібними фракціями ( 40 мкм) у варіанті А де- що більша, ніж у варіанті Б. Для крупніших фракцій ( 40 мкм) значення hmax в обох варі- антах майже не відрізняються. Зазначимо, що в обох варіантах величина hmax для частинок δ = 40 мкм майже в 20 разів більша, ніж для частинок δ = 20 мкм. Частинкам кожної фракції відповідає гранич- не значення кута ϕ (позначимо його ϕгр). У наве- деному на рис. 3 прикладі, для частинок δ = 20 мкм = 470, а = 420, тобто при врахуванні в (4), (5) всіх сил граничне значення кута більше. Для даної золи перевищення над має міс- це і для частинок інших фракцій. В кінцевому підсумку це призводить до збільшення інтенсив- ності ерозії. За результатами розрахунків інтенсивності ерозії, викликаної кожною фракцією при враху- ванні в (4),(5) fа, fМ, fS, fт, fg, отримана підсумко- ва залежність h(ϕ), представлена на рис. 4. З наведених даних видно, що для даної золи за вибраних умов обтікання максимальна інтен- Вели- чина Значення величини у варіантах А Б ϕ, град 5,5 22,5 47,2 55,3 80,5 8,0 23,9 48,6 57,7 un, м/c 6,6 6,3 4,3 4,3 1,3 6,6 6,3 5,0 4,2 uτ, м/с 0,6 2,6 5,4 6,3 8,0 0,9 2,8 5,7 6,6 U, м/с 6,6 6,5 7,6 7,6 8,1 6,7 6,9 7,6 7,8 Вели- чина Значення величини у варіантах А Б ϕ, град 4,2 11,1 31,0 34,3 48,1 5,9 17,9 36,5 43,2 57,9 un, м/c 7,7 7,5 6,7 6,4 5,2 7,7 7,5 6,6 6,1 4,7 uτ, м/с 0,6 1,5 4,0 4,3 5,8 0,8 2,4 4,9 5,7 7,5 U, м/с 7,7 7,6 7,8 7,7 7,8 7,7 7,9 8,2 8,3 8,9 ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ Таблиця 1. Результати розрахунків при = Tw = 300 K Таблиця 2. Результати розрахунків при = 1100 К, Tw = 500 K Рис. 3. Залежність h(ϕ): 1 – δ = 20 мкм; 2 – δ = 40 мкм Рис. 4. Профіль зношування лобової поверхні труби (14) (15) ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ • №13/2006 85 сивність ерозії має місце при куті ϕ 560, що від- повідає результатам експериментальних дослід- жень. За даними [14] зношування труб, не захи- щених індивідуальними засобами захисту, за 6 місяців експлуатації мало величину h = 1,5 – 2 мм. У випадку, наведеному на рис. 4, за такий час h = 2,1 мм. Таким чином, запропонована модель дозволяє задовільно прогнозувати величину еро- зійного зношування теплообмінних поверхонь котельних агрегатів. ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ 1. Аварійність на об'єктах електроенергетики України у 2004 році. Огляд. – К., 2005. – 195 с. 2. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В. Соотношение теплового и эрозионного компонентов при теплоэрозионном разрушении материалов в сверхзвуковом гетерогенном потоке // V Минский международный форум по тепло – и массообмену, Минск, 2004. – Т. 1. – С. 318-319. 3. Табаков В., Мэйлек М.Ф., Хамед А. Измерение лазером характеристик отскакивания твердых частиц при соударениях их с поверхностью из алюминиевого (2024) и титанового (AI – 4V) сплавов // Аэрокосмическая техника. – 1987. – № 12. – С. 58-64. 4. Finnie I. Erosion of surfaces by solid particles // Wear. – 1960. – Vol. 3, № 2. – P. 87-103. 5. Жангаскин К.К., Когай Г.Н. Численный анализ эрозионного износа при поперечном обтекании цилиндра газоабразивным потоком // Теплоэнергетика. – 1999. – № 4. – С. 57-59. 6. Белов С.Ю., Рундыгин Ю.А., Усик Б.В. Расчет характеристик инерционного движения частиц при поперечном обтекании цилиндра газовзвесью //ИФЖ. – 1982. – Т. 43, № 3. – С. 499-500. 7. Спокойный Ф.Е., Горбис З.Р. Особенности осаждения тонко диспергированных частиц из охлаждаемого газового потока на поперечно обтекаемой поверхности теплообмена //ТВТ. – 1981. – Т. 19, № 1. – С. 182-199. 8. Кудрявцев Н.А., Миронова М.В., Яценко В.П. Поперечное обтекание цилиндрической теплообменной поверхности двухфазным потоком // ИФЖ. – 1990. – Т. 59, № 6. – С. 917-923. 9. Яценко В.П., Александров В.В. Измерение силы Магнуса при умеренных числах Рейнольдса // Прикладная гидромеханика. – 2001. – Т. 3, № 3. – С. 83-87. 10. Яценко В.П. Определение силы, действующей на сферическую твердую частицу в потоке со сдвигом // Физика аэродисперсных систем. – 2002. – вып. 39. – С. 240-248. 11. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М.: Наука, 1969. – 742 с. 12. Технология комплексной переработки золы уноса тепловых электростанций // Химия твердого топлива. – 2002. – № 5. – С. 87-91. 13. Раскатов В.М., Чуенков В.С., Бессонова Н.Ф., Вейс Д.А. Машиностроительные материалы. Краткий справочник. М.: Машиностроение. – 1980. – 511 с. 14. Бусагов А.В., Сорокина Т.И. О снижении золового износа конвективных поверхностей нагрева на Запорожской ГРЭС // Энергетик. – 1988. – № 10. – С. 21-22.
id	systemreorg-article-283
institution	System Research in Energy
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-19T01:08:39Z
publishDate	2006
publisher	General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	systemreorg/aa/86909117d04fee0972a42b79b21508aa.pdf
spelling	systemreorg-article-2832026-07-18T12:57:35Z On the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment Прогнозування ерозійного зношування теплообмінних поверхонь котельного устаткування Yatsenko V.P. erosion, ash particles, wear intensity. ерозія, частинки золи, інтенсивність зношування. We propose a new method for the prediction of erosive wear of a heat-transfer surface as particle-laden gas medium flows about it. To determine the characteristics of particles at the instant of their collision with the surface, we have developed a model of flow with regard for the Magnus, Saffman, and thermophoresis forces. For conditions of flow about an economizer pipe, we have carried out computations of the wear intensity induced by ash particles. Запропоновано метод прогнозування ерозійного зношування теплообмінної поверхні при обтіканні її газовим потоком з твердими частинками. Для визначення характеристик частинок у момент їх зіткнення з поверхнею розроблено модель обтікання, в якій враховано сили Магнуса, Сафмена і термофореза. Для умов обтікання труби економайзера здійснено числові розрахунки інтенсивності ерозії, спричиненої частинками золи. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2006-01-26 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/283 System Research in Energy; No. 1 (13) (2006): The Problems of General Energy; 81-85 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (13) (2006): Проблеми загальної енергетики; 81-85 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/283/230 Copyright (c) 2006 Yatsenko V.P. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0
spellingShingle	erosion ash particles wear intensity. Yatsenko V.P. On the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment
title	On the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment
title_alt	Прогнозування ерозійного зношування теплообмінних поверхонь котельного устаткування
title_full	On the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment
title_fullStr	On the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment
title_full_unstemmed	On the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment
title_short	On the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment
title_sort	on the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment
topic	erosion ash particles wear intensity.
topic_facet	erosion ash particles wear intensity. ерозія частинки золи інтенсивність зношування.
url	https://systemre.org/index.php/journal/article/view/283
work_keys_str_mv	AT yatsenkovp onthepredictionoferosivewearoftheheattransfersurfacesofboilerequipment AT yatsenkovp prognozuvannâerozíjnogoznošuvannâteploobmínnihpoverhonʹkotelʹnogoustatkuvannâ

On the prediction of erosive wear of the heat-transfer surfaces of boiler equipment

Institution

Ähnliche Einträge