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Vorrichtung zur Verhütung von Erosionskorrosion in Strömungsräumen
In Strömungsräumen, wie insbesondere Rohrleitungen, Armaturen, Wärmetauschern und
Strömungsmaschinen, die aus Grauguß, einem unlegierten oder nur schwach legierten.
Stahl hergestellt sind, treten bei Betrieb mit Wasser oder NaBdampf unter bestimmten
Bedingungen nach einiger Zeit Abtragungen an den Wandungen dieser Strömungsräume
auf, die als Erosionkorrosion bezeichnet werden. Aber auch bei anderen Kombinationen
von Werkstoffen und Strömungsmedien sind derartige Erscheinungen möglich, z. B.
bei einer Kombination von Kupfer oder Messing und Wasser. Voraussetzung für eine
derartige Erosionskorrosion ist, daß das strömende Medium und der Wandwerkstoff
miteinander reagieren und eine gesonderte Schicht bilden, die Jedoch stets vom Strömungsmittel
wieder gelöst wird. Bei einem Zusammentreffen von Eisen und Wasser bildet sich dabei
eine Schicht von Fe (OH>2, die bei Temperaturen unterhalb von 150 bis 2000 C
nur sehr langsam in den widerstandsfäbigeren und unlöslichen Magnetit übergeht,
daS es bei großen Strömungsgeschwindigkeiten und einer Strömung richtung direkt
auf die Wandung nicht zu einer SEttigung der b.rtlhrenden Wasserschicht an Fe (OH)2
kommt.
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Es ist bekannt, daß man eine Gefährdung dieser Oberfläche durch die
Wahl eines geeigneteren Worketaffes vermeiden kann; beispielsweise kann bei Wasser
oder Naßdampfströmungen durch die Verwendung eines 13%igen Ohromstahles oder durch
eine Plattierung der Wandung mit entsprechenden Werkstoffen ein Abtragen der Wandung
weitgehend verhindert werden. Die Verwendung derartiger hochlegierter Werkstoffe
ist Jedoch außerordentlich teuer. Eine Plattierung der Wandung mit,diesen Werkstoffen
ist im allgemeinen wirtschaftlicher, jedoch ist nicht in jedem Fall ein dauerhaftes
Haften dieser Plattierung
an der Wandung gewährleistet. DarUber
hinaus ist es aber auch möglich, durch eine Vergrößerung des Strömungsquerschnittes
die Strömungsgeschwindigkeit herabzusetzen, um somit die auftretenden Abtragungen
zu verringern - meist ist eine derartige Querschnittsvergrößerung jedoch aus Platzgarenden
nicht möglich.
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Der Erfindung liegt demgegendber die Aufgabe zugrunde, ein Auftreten
von Erosionskorrosion an der Wandung mit einfachen Mitteln zu verhindern. Wesentlich
für des Auftreten einer Erosionskorrosion ist dabei ein starker Stoffaustausch in
der BerUhrungsschicht. Diese Bedingung ist überall dort gegeben, wo eine Grenzschicht
aus einer Schicht hoher Gesamtenergie neu entsteht, d. h. insbesondere an Stellen
örtlicher Maxime des statischen Druckes an den Wänden. Dies gilt insbesondere fUr
den Bereich von Staupunkten, an denen eine Strömung direkt auf die Wandung auftritt
oder bei parallel beströmten Wandungen dort, wo die Sekundäretrömung Staupunkte
aufweist.
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Die Erfindung besteht dabei darin, daß an den Wandungen im Bereich
der Staupunkte von Haupt- und Sekundärströmungen Einbauten derart vorgesehen sind,
daß sich die Staupunkte auf die Einbauten verlagern. Dabei ist es zweckmäßig, wenn
diese Einbauten aus Platten oder Profilleisten bestehen, die auf der angeströmten
Wandung befestigt sind. Diese Einbauten können zumindeat im Bereich der sich auf
ihnen ausbildenden Staupunkte aus einem geeigneterem Material als das der angeströmten
Wandung bestehen.
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Durch diese Einbauten wird erreicht, daß sich die Staupunkte auf die
Einbauten selbst verlagern und somit die Ausbildung von Grenzschichten mit hohem
Stoffaustausch an der Wandung selbst verhindert werden. Falls nun noch eine Erosionskorrosion
auftritt, so erfolgt diese an den Einbauten, die jedoch bei einer Herstellung aus
geeignetem Material dagegen
weniger empfindlich sind oder bei einer
Herstellung aus glei--chem Naterial wie die zu schütende Wandung derart dimensioniert
sein können, daß während der angenommenen Betriebsdauer ein völliger Abtrag dieser
Sinbauten nicht erfolgt.
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In einer schematischen Zeichnung sind anhand von AusfUhrungsbeispielen
Aufbau und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung näher erläutert.
Dabei zeigen: Fig. 1a und ib das Grundprinzip der Erfindung am Beispiel einer senkrecht
angeströmten Wandung; Fig. 2a und 2b die entsprechenden Strömungsverhältnisse an
einem quer angeströmten Rohr, die Fig. 3a bis 3d die Verhältnisse in einem Rohrkrtimmer
und Fig. 4 eine spezielle Ausführungsform der Einbauten.
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In Fig. 1a ist zunächst der Fall dargestellt, daß eine ebene Wandung
1 durch eine Strömung 2 senkrecht aus einer Rohrleitung 3 angeströmt wird. Dabei
bildet sich auf der Wandung 1 ein Staubereich S1 aus, dessen Ausdehnung durch die
Kreuze vor der Wandung 1 gekennzeichnet ist. Im Bereich dieses Staupunktes liegt
das örtliche Maximum des statischen Druckes.
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Es stellt eine besondere Gefährdung dieser ebenen Wandung 1 dar.
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Nach Fig. ib sind nunmehr erfindungsgemäß im Bereich des sich ausbildenden
Staupunktes an der ebenen Wandung 1 Einbauten 5 vorgesehen, die nach dem dargestellten
AusfUhrungsbeispiel aus einer sich gegen die Anströmrichtung erstreckende Platte
bestehen können. Wie aus der schematischen Darstellung zu ersehen ist, verlagert
sich nunmehr der Staupunkt S1 nach Fig.
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1a von der Wandung 1 als Staupunkt S1' auf die Oberfläche der Einbauten
5. Dadurch wird die Beanspruchung der Wandung
und evtl. auftretende
Erosionskorrosionen von der Wandung 1 auf die Einbauten 5 gelegt. Da diese Einbauten
aus einem geeigneteren Material bestehen können, werden sie selbst praktisch nicht
angegriffen, gleichzeitig ist die Wandung entlastet und so vor Erosionskorrosionen
sicher geschützt.
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In Fig. 2 sind die gleichen Verhältnisse an einer quer angeströmten
Rohrleitung 6 dargestellt. Auch hierbei bildet sich im Anströmbereich vor dem Rohr
ein Staupunkt S1 aus, der wieder durch Kreuze gekennzeichnet ist. Wie aus Fig. 2b
zu ersehen ist, ist nunmehr ebenfalls auf der Anströmseite des Rohres 6 eine Profilleiste
7 vorgesehen, so daß sich der Staupunkt S7' auf dieses Einbauteil 7 verlagert und
somit die eigentliche Rohrwandung entlastet.
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Bei den bisher dargestellten AuefUhrungsbeispielen wurden derartige
Korrosionen im Bereich der Staupunkte von Hauptströmungen verursacht. In Fig. 3a
bis 3d ist ein Fall dargestellt, bei dem derartige Erosionskorrosionen auch im Bereich
des Staupunktes von Sekundärströmungen auftreten.
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Derartige Strömungen finden sich beispielsweise in Rohrkrümmern 8,
wie sie in Fig. 3a gezeigt sind. In diesem Rohrkrttmmer bildet sich eine Grenzschichtströmung
aus, die durch die Pfeile 9 in Fig. 3a und in dem Schnitt nach Fig. 3b dargestellt
ist. Die Stellen höchster Beanspruchung liegen dabei im Bereich der Staupunkte S2
dieser Sekundärströmung, die ebenfalls wieder durch Kreuze gekennzeichnet sind.
Da es sich hierbei um einen räumlich ausgedehnten Staupunkt handelt, ist es zweckmäßig,
die Einbauten in mehrere Einzelelemente aufzuteilen. Wie aus Fig. 3c zu ersehen
ist, sind senkrecht zur außenliegenden Wandung mehrere Einzelleisten 10 vorgesehen,
die ein Ablösen der Grenzschicht von der Rohrwandung und ein Verlagern der Staupunkte
S2 auf die Einbauten selbst bewirken. Dabei ist es ferner zweckmäßig, wenn diese
Leisten 10 so gekrümmt sind, daß sie normal zur Richtung der Grenzschichtgeschwindigkeit
stehen, wie das aus dem Schnitt nach
Fig. 3d zu ersehen ist. Hierdurch
wird der Austausch der energiearmen Grenzschicht mit der energiereichen Hauptströmung
verringert und neben diesem Vorteil geringerer Schubspannungen und eines geringeren.Stoffaustausches
auch ein geringerer Druckverlust erreicht.
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Wenn die Staufläche auf den Einbauten senkrecht auf der zu schützenden
Wand steht, wie es bei der Gefährdung durch den Staubereich einer Sekundärströmung
beispielsweise bei einer Kriimmerströmung der Fall ist, empfiehlt es sich, diese
Einbauten mit einer eindeutigen Abreißkante zu versehen, wie das in dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 4 gezeigt ist. Die Einbauten 10 sind dabei auf der Ånströmseite mit Ansätzen
11 versehen, so daß die Staubereichsströmung 12 auf den Einbauten 10 von der zu
schützenden Wand ferngehalten wird, d. h.
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die abreißende Strömung nicht auf die zu schützende Wand gerichtet
ist.
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Mit den beschriebenen Einbauten aus hochwertigem Material werden somit
sicher Auswaschungen der zu schützenden Wandungen verhindert. Es ist dabei auch
möglich, anstelle von Einbauten aus einem Werkstoff höherer Fe3tigkeit, entsprechende
Einbauten aus gleichem Material wie die zu schützende Wandung zu verwenden, die
dann aber stärker dimensioniert sein mttssen. So können beispielsweise anstelle
von Einbauten auf einem quer angeströmten Rohr, wie das in Fig. 2b dargestellt ist,
auch handelstibliche Flossenrohre aus homogenem Material verwendet werden, wobei
diese Flossen dann entgegen der Hauptströmungsriohtung gerichtet sein müssen. Dies
ist möglich, wenn abgesehen werden kann, daß diese Flossen im Laufe der Betriebszeit
nicht voll abgetragen werden.
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Um ein Anschweißen der Einbauten an die zu schütenden Flächen zu erleichtern,
kann es auch zweckmäßig sein, lediglich diejenigen Flächen der Einbauten mit einem
korrosionsbeständigen Material zu versehen, die der erhöhten Beanspruchung ausgesetzt
sind.
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6 Ansprüche 4 Fig.