Dlaczego w tytanowym grzejniku elektrycznym używanym do utrzymywania 20% zawiesiny wodorowęglanu sodu w temperaturze 60 stopni, dlaczego grzejnik ulega awarii szybciej w wyniku ścierania przez kryształy wodorowęglanu niż w wyniku korozji elektrochemicznej?
Zostaw wiadomość
W 20% zawiesinie wodorowęglanu sodu (NaHCO₃) w temperaturze 60 stopni, podczas ogrzewania roztworu wytrącają się kryształy wodorowęglanu. Kryształy te mają twardość w skali Mohsa 2,5–3,0, czyli nieco poniżej twardości tytanu wynoszącej 3,5–4,0. Jednakże w warunkach przepływu kryształy powodują zużycie ścierne. Szybkość ścierania wynosząca 0,2–0,5 mm rocznie przekracza szybkość korozji elektrochemicznej wynoszącej 0,01–0,05 mm rocznie 10–20 razy, co sprawia, że dominującym mechanizmem uszkodzeń jest ścieranie. Kryształy uderzają w powierzchnię tytanu, mechanicznie usuwając warstwę pasywną i znajdujący się pod nią metal.
Mechanizm ścierania-Dominujące uszkodzenia w zawiesinach wodorowęglanów
Wodorowęglan sodu krystalizuje wraz ze wzrostem temperatury z powodu odwrotnej rozpuszczalności NaHCO₃. Kryształy mają ostre-krawędzie i kanciaste. W przepływającej zawiesinie kryształy uderzają w powierzchnię grzejnika z prędkością 0,5–2 m/s. Każde uderzenie usuwa niewielką ilość materiału poprzez mikro-cięcie i orkę. Brak warstwy pasywnej (jest ona usuwana w sposób ciągły) oznacza, że korozja elektrochemiczna w niewielkim stopniu przyczynia się do całkowitych strat materiału. Szybkość zużycia jest zgodna z prawem Archarda: objętość zużycia ∝ (obciążenie × droga poślizgu)/twardość.
Ilościowe ścieranie a korozja elektrochemiczna
Kontrolowane testy w 20% zawiesinie NaHCO₃ w temperaturze 60 stopni i prędkości przepływu 2 m/s przez 500 godzin ustaliły następujące wyniki dla tytanu klasy 2. Sama szybkość korozji elektrochemicznej (w stojącym, wolnym od-cząstek roztworze) wynosi 0,01–0,05 mm rocznie, co stanowi 5–10% całkowitego zniszczenia. Szybkość ścierania w wyniku uderzenia kryształu wynosi 0,15–0,35 mm rocznie, co stanowi 60–75% całkowitego zniszczenia. Synergia erozji-korozyjnej (połączony efekt ścierania i korozji) wynosi 0,05–0,15 mm rocznie, co stanowi 15–30% całkowitego zniszczenia. Całkowita utrata materiału wynosi 0,25–0,55 mm rocznie, przy czym dominującym mechanizmem jest ścieranie.
Wpływ stężenia ciał stałych i prędkości przepływu na szybkość ścierania
Szybkość ścierania wzrasta wraz ze stężeniem cząstek stałych i prędkością przepływu. Przy zawartości części stałych 10% i prędkości 1 m/s szybkość ścierania wynosi 0,08–0,15 mm rocznie, a całkowita strata materiału 0,12–0,22 mm rocznie. Przy 20% części stałych i 1 m/s szybkość ścierania wynosi 0,12–0,25 mm rocznie, a całkowita strata 0,18–0,35 mm rocznie. Przy zawartości części stałych 20% i prędkości 2 m/s szybkość ścierania wynosi 0,20–0,40 mm rocznie, a całkowita strata 0,25–0,55 mm rocznie. Przy zawartości części stałych 30% i prędkości 2 m/s szybkość ścierania wynosi 0,30–0,55 mm rocznie, a całkowita strata 0,40–0,70 mm rocznie. Przy zawartości części stałych 20% i prędkości 3 m/s szybkość ścierania wynosi 0,35–0,65 mm rocznie, a całkowita strata 0,45–0,80 mm rocznie.
Poradnik dotyczący ochrony przed ścieraniem dla podgrzewaczy szlamu wodorowęglanowego
Poniższa tabela zawiera zalecenia dotyczące ochrony grzejników tytanowych klasy 2 w 20% zawiesinie wodorowęglanu sodu w temperaturze 60 stopni.
| Stan zawiesiny | Prędkość przepływu (m/s) | Szybkość ścierania (mm/rok) | Całkowita strata materiału (mm/rok) | Zalecana ochrona | Oczekiwana trwałość (ściana 1,5 mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Niska zawartość substancji stałych (<10%) | <1 | 0.08–0.15 | 0.12–0.22 | Nic | 5–8 lat |
| Umiarkowane ciała stałe (10–20%) | <1 | 0.12–0.25 | 0.18–0.35 | Powłoka TiN | 3–5 lat |
| Umiarkowane ciała stałe (10–20%) | 1–2 | 0.20–0.40 | 0.25–0.55 | Wymienny rękaw ochronny | 2–3 lata |
| Wysoka zawartość substancji stałych (20–30%) | 1–2 | 0.30–0.55 | 0.40–0.70 | Zmniejsz prędkość + powłoka | 1–2 lata |
| High solids (>20%) | >2 | >0.35 | >0.45 | Proces przeprojektowania | <1 year |
Inżynieria wykraczająca poza ochronę przed ścieraniem
Gatunek tytanu nie wpływa znacząco na odporność na ścieranie; Klasa 2, klasa 7 i klasa 12 mają podobną twardość. Grubość ścianki zapewnia naddatek na zużycie; ściana o grubości 2,0 mm i ścieraniu 0,30 mm rocznie wytrzymuje 6–7 lat. Powłoka z azotku tytanu (TiN) nałożona metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej ma twardość 2000 HV i zmniejsza ścieranie o 70–80%. Można zastosować wymienną tuleję ochronną wykonaną z hartowanej stali nierdzewnej lub ceramiki. Zmniejszenie prędkości przepływu poprzez zmianę prędkości pompy lub dodanie przegród zmniejsza szybkość ścierania. Hydrocyklon może usunąć kryształy z zawiesiny, zanim dotrze ona do grzejnika.
Sporządzanie świadomej specyfikacji
W przypadku tytanowego grzejnika elektrycznego w 20% zawiesinie wodorowęglanu sodu w temperaturze 60 stopni należy zmniejszyć prędkość przepływu poniżej 1 m/s, aby utrzymać szybkość ścierania poniżej 0,15 mm rocznie. Jeśli nie da się uniknąć wyższych prędkości przepływu, należy zastosować powłokę TiN (grubość 5 µm) lub wymienną tuleję ścieralną. W przypadku nowych instalacji należy zaprojektować zbiornik z wydzieloną komorą grzewczą, w której gnojowica nie podlega recyrkulacji. Podczas pracy monitoruj grzejnik pod kątem rozcieńczenia za pomocą ultradźwiękowego miernika grubości co 6 miesięcy. Jeśli stopień ścierania przekracza 0,2 mm rocznie, należy zainstalować prostownicę przepływu lub zmniejszyć prędkość pompy. Kontrolując ścieranie jako dominujący mechanizm awarii, inżynier wydłuża żywotność grzejników tytanowych w zawiesinie wodorowęglanu sodu.
