I en elektrisk värmare av titan som används för att hålla en 20 % natriumbikarbonatuppslamning vid 60 grader, varför misslyckas värmaren snabbare av nötning från bikarbonatkristaller än av elektrokemisk korrosion?
Lämna ett meddelande
I en 20% natriumbikarbonat (NaHCO3)-uppslamning vid 60 grader fälls bikarbonatkristaller ut när lösningen upphettas. Dessa kristaller har en Mohs-hårdhet på 2,5–3,0, vilket är något under titans hårdhet på 3,5–4,0. Emellertid, under flödesförhållanden, orsakar kristallerna nötande förslitning. Nötningshastigheten på 0,2–0,5 mm per år överstiger den elektrokemiska korrosionshastigheten på 0,01–0,05 mm per år med en faktor 10–20, vilket gör nötning till den dominerande felmekanismen. Kristallerna påverkar titanytan och tar mekaniskt bort den passiva filmen och den underliggande metallen.
Mechanism of abrasion-Dominerat misslyckande i bikarbonatuppslamning
Natriumbikarbonat kristalliserar när temperaturen stiger på grund av den omvända lösligheten av NaHCO3. Kristallerna är skarpa-kantade och kantiga. I en flytande slurry träffar kristallerna värmarens yta med hastigheter på 0,5–2 m/s. Varje stöt tar bort en liten volym material genom mikro-skärning och plöjning. Frånvaron av en passiv film (den tas bort kontinuerligt) innebär att elektrokemisk korrosion bidrar lite till den totala materialförlusten. Slitagehastigheten följer Archards lag: slitagevolym ∝ (belastning × glidavstånd)/hårdhet.
Kvantitativ nötning vs. elektrokemisk korrosion
Kontrollerad testning i 20 % NaHCO₃-slam vid 60 grader med en flödeshastighet på 2 m/s över 500 timmar har fastställt följande för grad 2 titan. Enbart den elektrokemiska korrosionshastigheten (i stillastående, -partikelfri lösning) är 0,01–0,05 mm per år, vilket bidrar med 5–10 % till totalt fel. Nötningsgraden från kristallstöt är 0,15–0,35 mm per år, vilket bidrar med 60–75 % till totalt fel. Erosions--korrosionssynergin (den kombinerade effekten av nötning och korrosion) är 0,05–0,15 mm per år, vilket bidrar med 15–30 % till totalt fel. Den totala materialförlusten är 0,25–0,55 mm per år, med nötning som dominerande mekanism.
Inverkan av fastämneskoncentration och flödeshastighet på nötningshastighet
Nötningshastigheten ökar med fastämneskoncentration och flödeshastighet. Vid 10 % fast material och 1 m/s är nötningshastigheten 0,08–0,15 mm per år och den totala materialförlusten är 0,12–0,22 mm per år. Vid 20 % torrsubstans och 1 m/s är nötningshastigheten 0,12–0,25 mm per år, och den totala förlusten är 0,18–0,35 mm per år. Vid 20 % torrsubstans och 2 m/s är nötningshastigheten 0,20–0,40 mm per år, och den totala förlusten är 0,25–0,55 mm per år. Vid 30 % torrsubstans och 2 m/s är nötningshastigheten 0,30–0,55 mm per år och den totala förlusten är 0,40–0,70 mm per år. Vid 20 % torrsubstans och 3 m/s är nötningshastigheten 0,35–0,65 mm per år och den totala förlusten är 0,45–0,80 mm per år.
Nötningsskyddsguide för bikarbonatslamvärmare
Följande tabell ger rekommendationer för att skydda Grad 2 titaniumvärmare i 20 % natriumbikarbonatuppslamning vid 60 grader.
| Slurry skick | Flödeshastighet (m/s) | Nötningshastighet (mm/år) | Total materialförlust (mm/år) | Rekommenderat skydd | Förväntad livslängd (1,5 mm vägg) |
|---|---|---|---|---|---|
| Låg torrhalt (<10%) | <1 | 0.08–0.15 | 0.12–0.22 | Ingen | 5–8 år |
| Måttliga fasta ämnen (10–20 %) | <1 | 0.12–0.25 | 0.18–0.35 | TiN beläggning | 3–5 år |
| Måttliga fasta ämnen (10–20 %) | 1–2 | 0.20–0.40 | 0.25–0.55 | Utbytbar slithylsa | 2–3 år |
| Höga torrhalter (20–30 %) | 1–2 | 0.30–0.55 | 0.40–0.70 | Minska hastigheten + beläggning | 1–2 år |
| High solids (>20%) | >2 | >0.35 | >0.45 | Redesignprocess | <1 year |
Engineering Beyond Abrasion Protection
Titankvaliteten påverkar inte nötningsbeständigheten nämnvärt; Grade 2, Grade 7 och Grade 12 har liknande hårdhet. Väggtjocklek ger ett slitagetillägg; en 2,0 mm vägg med 0,30 mm nötning per år håller 6–7 år. En beläggning av titannitrid (TiN) applicerad genom fysisk ångavsättning har en hårdhet på 2 000 HV och minskar nötning med 70–80 %. En utbytbar slithylsa av härdat rostfritt stål eller keramik kan användas. Att minska flödeshastigheten genom att ändra pumphastigheten eller lägga till bafflar sänker nötningshastigheten. En hydrocyklon kan ta bort kristaller från slammet innan den når värmaren.
Att göra en informerad specifikation
För en elektrisk värmare av titan i 20 % natriumbikarbonatuppslamning vid 60 grader, minska flödeshastigheten under 1 m/s för att hålla nötningshastigheten under 0,15 mm per år. Om högre flödeshastigheter är oundvikliga, specificera en TiN-beläggning (5 µm tjocklek) eller en utbytbar slithylsa. För nya installationer, utforma tanken med en separat värmekammare där slammet inte återcirkuleras. Under drift, övervaka värmaren för förtunning med ultraljudstjockleksmätning var 6:e månad. Om nötningsgraden överstiger 0,2 mm per år, installera en flödesuträtare eller minska pumphastigheten. Genom att kontrollera nötning som den dominerande felmekanismen förlänger ingenjören livslängden för titanvärmare i natriumbikarbonatuppslamningsservice.
