W przypadku osłony tytanowej podgrzewającej zawiesinę pigmentu ditlenku tytanu w rozcieńczonym kwasie siarkowym (pH 2,5, 80 stopni), jaka jest krytyczna prędkość przepływu, aby zapobiec erozji-korozji na zagięciach?

Podstawowy kompromis w konstrukcji grzejnika tytanowego dla kwaśnych zawiesin ściernych
Pigment TiO2 wytwarza się poprzez trawienie rudy ilmenitu w stężonym kwasie siarkowym, a następnie rozcieńczanie, hydrolizę i kalcynację roztworu. Fazy ​​pośrednie obejmują ogrzewanie zawiesiny pigmentu TiO2 w rozcieńczonym kwasie siarkowym (pH 2,5, 80 stopni). Zawiesina zawiera 20-40% wag. stałych cząstek TiO2 o średniej średnicy 0,2-0,5 mikrona i jest nieco ścierna. Połączony efekt kwaśnego elektrolitu i uderzenia cząstek powoduje powstanie-środowiska erozyjnego o współczynniku utraty materiału wyższym niż suma czystej erozji i czystej korozji. Obszary zagięcia tytanowych rur grzejnych w kształcie litery U lub serpentynowych są najbardziej krytycznymi częściami rur grzejnych, gdzie zmienia się ścieżka przepływu, a cząsteczki są zmuszone uderzać w ścianę zewnętrzną (extrados) ze zwiększoną prędkością i kątem. Grubość ścianki zapewnia pasywny naddatek na korozję, ale ważną zmienną projektową pozwalającą uniknąć przedwczesnej awarii jest prędkość przepływu szlamu przez grzejnik. Prędkość progowa zostaje przekroczona i następuje zmiana z łagodnego, równomiernego zużycia do silnej, zlokalizowanej erozji i korozji, która może przerwać tytanową ścianę o grubości 2,0 mm w czasie krótszym niż sześć miesięcy. Poniżej tej prędkości progowej pasywna powłoka z dwutlenku tytanu jest stabilna, a trwałość ścianek o grubości 1,0–1,2 mm wynosi kilka lat.

Wpływ na integralność mechaniczną: synergiczny wpływ erozji i korozji na zakrętach
Pasywna szybkość korozji tytanu stopnia 2 w rozcieńczonym kwasie siarkowym przy pH 2,5 w warunkach statycznych lub przy niskim przepływie wynosi 0,02-0,05 mm/rok. Cząsteczki zawiesiny TiO2 są chemicznie identyczne z warstwą pasywną; w związku z tym efekty galwaniczne są znikome. Jednakże składnik erozyjny niszczy ochronną warstwę tlenku szybciej, niż jest w stanie dokonać ponownej pasywacji. W kierunku dodatkowym zagięcia kąty uderzenia cząstek zwykle mieszczą się w zakresie 30-60 stopni w stosunku do powierzchni, czyli w obszarze, który maksymalizuje straty materiału w przypadku kruchych-materiałów plastycznych, takich jak tytan. Szybkość erozji i korozji to empiryczne prawo potęgowe w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn, gdzie vv to lokalna prędkość cząstek na zakręcie, a nn wynosi ogólnie 2,5–3,0 dla tytanu w kwaśnych zawiesinach. Znacząca zależność od prędkości sugeruje 6-8-krotny wzrost szybkości zużycia przy podwojeniu natężenia przepływu. Szybkość erozji jest nieistotna w przypadku prostego odcinka rury z przepływem równoległym do powierzchni, ponieważ cząstki ślizgają się zamiast uderzać. Główna różnica polega na tym, że ze względu na przyspieszenie przepływu wokół zakrętu, lokalna prędkość na dodatkowych zakrętach może być 1,5–2,5 razy większa niż prędkość szlamu masowego. Zatem prędkość przepływu objętościowego w rurze lub zbiorniku musi być niższa od progu odpowiadającego prędkości dodatkowego zgięcia wynoszącej około 3–4 m/s, gdzie szybkość erozji i korozji jest niedopuszczalna.

Efekt wydajności cieplnej: interakcja temperatury-prędkości
Gradient termiczny przechodzący przez powłokę tytanową wpływa na mechanizm erozji-korozyjnej, wpływając na stabilność warstwy pasywnej. Mniejsza grubość ścianki oznacza niższą temperaturę powierzchni dla danej gęstości mocy, a tym samym lepszą wytrzymałość mechaniczną folii pasywnej. Przy temperaturze masy wynoszącej 80 stopni ściana o grubości 1,0 mm pracująca przy 2,5 W/cm² ma powierzchnię zewnętrzną około 92 stopni; ściana o grubości 1,5 mm osiąga około 98 stopni. Wyższe temperatury powyżej 90 stopni powodują, że warstwa pasywna na tytanie jest bardziej krucha i jest ona bardziej podatna na odpryskiwanie pod wpływem uderzenia cząstek. Laboratoryjne testy erozji-z użyciem zawiesin TiO2 (40% wag., pH 2,5, 80 stopni) wykazują, że próg prędkości krytycznej dla ściany o grubości 1,0 mm wynosi 2,8 m/s (w masie), ale dla ściany o grubości 1,5 mm jest on obniżany do 2,2 m/s z powodu odpryskiwania gorętszego, bardziej kruchego tlenku. Dlatego grubsza ścianka nie tylko powoduje przetarcie większej ilości materiału, ale także zmniejsza okno bezpiecznej prędkości roboczej, co może prowadzić do utraty wydajności produkcyjnej.

Synteza kompromisu:-macierz prędkości krytycznej i grubości ścianki
Poniższa macierz przedstawia krytyczną prędkość przepływu szlamu w osłonie tytanowej podgrzewającej zawiesinę TiO2 w rozcieńczonym kwasie siarkowym (pH 2,5, 80 stopni, 30% wag. części stałych, mediana wielkości cząstek 0,3 µm), zdefiniowaną jako prędkość, przy której szybkość erozji-korozji wynosi 0,3 mm na rok (co odpowiada 3-letniemu okresowi życia ściany o grubości 1,0 mm ze współczynnikiem bezpieczeństwa).

Promień zgięcia rury (stosunek R/D) Grubość ścianki tytanu Krytyczna prędkość nasypowa (m/s) dla erozji-Korozja ograniczona do<0.3 mm/year Expected Life at Critical Velocity Core Engineering Rationale
R=3× OD (ciasne zgięcie) 1,0 mm 1,8 m/s 2,5 – 3 lata Wąskie zgięcie przyspiesza lokalną prędkość do 3,5-4,0 m/s w trybie ekstrados. Cienka ściana działa chłodniej, nieznacznie zwiększając tolerancję prędkości. Nie zaleca się ciągłego stosowania.
OD=3 x R (ciasne zgięcie) 1,5 mm 1,4 m/s 2 – 2,5 lat Grubsza ściana jest cieplejsza, co zmniejsza sprężystość folii pasywnej. Prędkość lokalna pozostaje wysoka. Unikaj ciasnych zakrętów, niezależnie od grubości ściany.
R=5× OD (duże zagięcie) 1,0 mm 2,8 m/s 4 – 5 lat Prędkość Extrados ≈ 1,3× masa; duży zakręt minimalizuje lokalne przyspieszenie. Cieńsza ściana utrzymuje chłodniejszą powierzchnię. Najlepsza kombinacja dla świeżych projektów.
R=5× OD (duże zagięcie) 1,2 mm – 1,4 mm 2,5 m/s 5 – 6 lat Mniejsza, grubsza ścianka, zapewnia tolerancję na erozję bez nadmiernego wzrostu temperatury. Dobrze nadaje się do wrażliwych zastosowań z rzadkimi skokami prędkości.
R=8× OD (bardzo duże zagięcie) lub prosta rura z obrotowymi łopatkami 1,0 mm – 1,2 mm > 3,5 m/s > 8 lat Usuwa przyspieszenie zginania. Erozja-korozja ma mniejsze znaczenie. Grubość ścianki musi po prostu spełniać kryteria ciśnienia i korozji.
Inżynieria na zakręcie: prostownice przepływu i orientacja grzejnika
Tam, gdzie architektura zbiornika powoduje, że nie da się uniknąć małego promienia zgięcia (R < 4 x OD), dwie alternatywne techniki mogą zminimalizować erozję-korozję bez poświęcania szybkości produkcji. Współczynnik lokalnego przyspieszenia prędkości zmniejsza się z 2,0 do 1,2 poprzez zastosowanie prostowników przepływu lub obracanie łopatek przed kolankiem podgrzewacza, aby zmienić orientację zawiesiny tak, aby odpowiadała konturowi rury. Symulacja obliczeniowej dynamiki płynów pokazuje, że prędkość ekstradowa zakrętu o średnicy zewnętrznej 3 × z łopatką zmniejsza się z 4,0 m/s do 2,2 m/s przy prędkości masowej wynoszącej 2,0 m/s, czyli poniżej progu krytycznego. Po drugie, grzejnik należy ustawić pionowo, tak aby szlam przepływał do góry, tak aby cząstki były przemieszczane poza zagięcie bez osiadania lub uderzania pod dużymi kątami. Należy unikać orientacji poziomej z zagięciami w płaszczyźnie poziomej, ponieważ grawitacja popycha cząstki w kierunku ekstradotów, zwiększając częstotliwość uderzeń. Wreszcie nieco grubsza ścianka (1,4–1,6 mm) ze znacznym promieniem zgięcia (R=6 × OD) zapewnia ostrożną konstrukcję w przypadku niepewnych lub zmiennych warunków przepływu, przy obniżonej sprawności cieplnej.

Wniosek: Wpływ kontroli prędkości i geometrii zgięcia na grubość ścianki
Wymagana prędkość przepływu, aby zapobiec erozji-korozji na zagięciach tytanowej osłony podgrzewającej zawiesinę TiO2 w rozcieńczonym kwasie siarkowym przy pH 2,5 i temperaturze 80 stopni, wynosi w przybliżeniu 2,5–3,0 m/s dla dobrze zbudowanego grzejnika o R=5× OD i grubości ścianki 1,0–1,2 mm. Szybciej niż to, a straty materiału byłyby wykładniczo większe. Grube mury zostaną przebite za kilka miesięcy. Erozja-korozja poniżej tej granicy jest znikoma, a żywotność tytanowej osłony o grubości 1,0 mm wynosi 4–5 lat. Główną radą projektową jest wybranie dużego promienia zgięcia (R większego lub równego 5 × OD) i prędkości szlamu sypkiego poniżej 2,5 m/s, a następnie wybranie grubości ścianki w oparciu o naddatek na korozję i wymagania mechaniczne (zwykle 1,2 mm). Zwiększanie grubości ścianki bez kontroli prędkości i kształtu zgięcia jest fałszywym poczuciem bezpieczeństwa. Ściana o grubości 2,0 mm przy prędkości 3,5 m/s ulega zniszczeniu szybciej niż ściana o grubości 1,0 mm przy prędkości 2,0 m/s. Określając grzejniki do ściernych kwaśnych zawiesin, należy dostarczyć producentowi szacunkową prędkość zawiesiny i rozkład wielkości cząstek oraz poprosić o potwierdzenie promienia zgięcia. Głównym czynnikiem inżynierskim jest zarządzanie prędkością, a nie maksymalna grubość ścianki.