流れる川の取水口 (総溶解固形分 300 ppm、pH 7.2、25 度) に永久的に浸漬されたチタン シース ヒーターの場合、近くのポンプからのキャビテーションに耐えるための最小壁厚はどれくらいですか?

ポンプ用チタン ヒーターの基本的なトレードオフ-キャビテーション誘発
川の取水構造内のポンプは、水を処理プラントまたは産業用冷却システムに移送します。凍結を防止したり、最低温度を維持するためにチタン製シーズヒーターが設置される場合もあります。ヒーターがポンプの入口または吐出口に近い場合、キャビテーションが発生しやすくなります。キャビテーションとは、移動する水中で蒸気泡が発生し、急速に崩壊する現象です。キャビテーションは、1,000 bar を超える局所的な衝撃圧力と最大 100 m/s の速度のマイクロジェットを生成します。{5}これにより、疲労メカニズムによりチタン表面が摩耗します。キャビテーション浸食に耐える最小の壁厚は、キャビテーション強度 (ポンプ設計と流速の関数) と、周期的負荷に対するチタンの耐性の関数です。壁の厚さによって犠牲層が形成され、穴を開ける前に劣化する可能性があります。この解析では、一般的な河川水ポンプ場におけるキャビテーション条件に必要な最小壁厚を特定します。

機械的完全性への影響: キャビテーション浸食メカニズム
局所的な圧力が水の蒸気圧を下回ると、キャビテーションが発生し、蒸気泡が形成されます。これらの泡は、より高圧の領域に遭遇すると急速に崩壊します。崩壊する気泡は、50-秒速でマイクロジェットを生成し、隣接する表面に衝突します。毎秒何百万もの気泡が崩壊する累積的な影響は、表面疲労、加工硬化、そして最終的には材料の損失につながります。グレード 2 チタンのインキュベーション期間 (観察可能な重量減少が始まるまでの時間) は、キャビテーション数 σ=(P - P_vapor) / (0.5 × ρ × v²) で表されるキャビテーションの強さに依存します。 σ が低いほど、キャビテーションが強くなります。

河川取水口の通常の流速は、ヒーターの設置場所で 2 ～ 4 m/s です。キャビテーション数は 0.3 ～ 1.0 であり、中程度から重度のキャビテーションを示します。これらの条件下でのグレード 2 チタンのキャビテーション侵食速度は、インキュベーション後 1 年あたり 0.2 ～ 0.8 mm です。潜伏期間自体は100〜500時間です。材料は除去され、その後一定のペースで除去されます。

熱性能への影響: 流速と浸食速度
キャビテーション浸食速度は、速度に応じて 4-6 乗まで変化します (非常に敏感です)。流速が 4 m/s から 2 m/s に減少すると、浸食速度は 16 ～ 64 分の 1 に減少します。壁の厚さは侵食速度には影響しません。侵食が始まってからヒーターがどのくらいの時間存続するかを決定するだけです。流速が上がると相反する熱性能（熱伝達率）が向上します。速度が高くなると加熱効率は向上しますが、キャビテーション浸食が大幅に増加します。

最小肉厚 10- 年の寿命 トレードオフの総合
ヒーター流速（m/sec） キャビテーション数（σ） 侵食速度（mm/年） 推奨壁（安全率あり） 10年寿命の最小壁（mm）
1.5 m/s >1.0 (キャビテーション) 0.00 0.8 mm (構造) 0.8 mm
0.8 (中程度) 2.0 m/s 0.10 1.0 mm 1.2 ミリメートル
2.5 m/s 0.6 (中程度) 0.25 2.5 mm 3.0 mm
3.0 m/秒 0.4 (非常に厳しい) 0.60 6.0 mm 実用的ではない 4.0 m/秒 0.3 (非常に厳しい) 1.50 15 mm 不可能
ヒーターの設置場所 (ポンプ入口のすぐ側ではない) での流速が 1.5 ～ 2.0 m/s の通常の河川取水口の場合、10 年の耐用年数には 1.2 ～ 1.5 mm の壁で十分です。 2.5 m/s を超えると、必要な壁の厚さは現実的ではなくなるため、再設計が必要になります。

壁を超えたエンジニアリング: キャビテーションの防止とヒーターの移動
キャビテーション浸食速度は速度の 4 乗以上に比例するため、最良のアプローチはヒーターを高速ゾーンの外に移動することです。局所的に速度は次のように低下​​します。<0.5 m/sec by putting the heater in a stilling well or behind a perforated baffle, and therefore cavitation is completely eliminated irrespective of the pump operation. Alternatively the heater may be placed downstream of a larger pipe or beam which will generate a wake region with reduced velocity. If relocation is not possible, a cavitation resistant coating, e.g. titanium nitride (TiN, 5–10 µm thick) deposited by physical vapor deposition, raises the surface hardness from 150 HV to 2,500 HV, leading to a 10–20 times reduction in erosion rate. Life with TiN coating is 10+ years at 2.5 m/s with 1.0 mm wall.

結論 一般的な条件では 1.5 mm の壁で十分です (v 2.0 m/s 以下)
総溶解固形分 300 ppm、pH 7.2 で 25 度の河川取水口に永久的に沈められたチタン シース ヒーターの近くのポンプからのキャビテーションに耐えるのに必要な最小壁厚は、局所流速の関数です。典型的な速度 1.5-2.0 m/s (ポンプ入口のすぐ外側) では、厚さ 1.2-1.5 mm のグレード 2 チタンの壁の耐用年数は 10 年です。速度が 2.5 m/秒を超える場合は、壁の厚さが 3 mm を超える必要があり (ヒーター チューブには非現実的)、ヒーターを移動するか、バッフルやコーティングで保護する必要があります。河川取水ヒーターは、壁厚 1.5 mm のグレード 2 チタン シースを使用し、ポンプの入口または出口から少なくとも 1 m 離れ、可能であれば流れを方向付けるバッフルを取り付けて指定する必要があります。メーカーはキャビテーション数と浸食率を計算します。ヒーター位置での予想流速 (m/s) とポンプ特性を提供します。キャビテーションの防止（速度の低下）は、壁の厚さを増やすよりもはるかに優れています。