Як швидкість потоку понад 2 м/с впливає на ерозію-швидкість корозії нагрівальних змійовиків з титану 12 класу в експлуатації з гіпохлоритом натрію?

Гіпохлорит натрію (NaOCl) є поширеним відбілюючим засобом, дезінфікуючим засобом і біоцидом-окислювачем на целюлозно-паперових фабриках, водоочисних спорудах і хімічних заводах. Нагрівання розчинів гіпохлориту натрію є одним із найсуворіших умов для металевого нагрівального обладнання через високу концентрацію окислювача, вміст хлориду та екстремальні температури, які зазвичай необхідні для покращення кінетики реакції або збереження стабільності при зберіганні. Титан класу 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) стає основним матеріалом для нагрівачів NaOCl. Він пропонує кращу стійкість до кислотного впливу та щілинної корозії, ніж Grade 2. Проте, коли швидкість потоку перевищує 2 м/с, менш відомий процес руйнування, ерозійна-корозія, домінує на поверхні нагрівальної спіралі. За високих швидкостей синергетичне електрохімічне розчинення, викликане механічним видаленням пасивних покриттів зсувом рідини та зважених твердих частинок, призводить до потоншення стінки, що може пробити стандартну -трубку за кілька місяців. У цьому документі оцінюється ерозійно-корозійна поведінка титану класу 12 у службі NaOCl як функція швидкості потоку, концентрації гіпохлориту та температури, а також наводяться конструктивні обмеження для нагрівачів змійового типу, у яких швидкість потоку є змінною.

Ерозійний-механізм корозії в гіпохлоритному середовищі
Ерозійна-корозія не є ні чистою механічною ерозією, ні чистою електрохімічною корозією, проте обидва механізми спільно сприяють втраті матеріалу. Titanium Grade 12 показав захисну пасивну плівку TiO2 у статичних або низьких -розчинах гіпохлориту натрію. Гіпохлорит є дуже сильним окислювачем (стандартний потенціал відновлення ClO-/Cl-=+0.89 V проти SHE), тому плівка утворюється швидко, а легуючі добавки молібдену та нікелю запобігають її руйнуванню в присутності хлоридів. При швидкості потоку нижче 1,5 м/с пасивна плівка є стабільною, а швидкість корозії, як правило, менше 0,01 мм/рік.

Коли швидкість потоку перевищує 2 м/с, напруга зсуву рідини на стінці трубки починає механічно порушувати пасивну плівку. Суттєве напруження зсуву для видалення пасивної плівки на титані марки 12 у 5% NaOCl при 40 градусах становить близько 15 Па, що відповідає швидкості потоку води 2,0-2,3 м/с через гладку поверхню труби. Після механічного видалення пасивного шару відкритий оголений титан швидко розчиняється в середовищі гіпохлориту, причому швидкість розчинення на щойно стертих поверхнях становить 0,5-2,0 мм на рік. У статичному гіпохлориті репасивація відбувається протягом мілісекунд, але потік гіпохлориту перешкоджає повному перетворенню плівки, безперервно змітаючи розчинені іони титану та підтримуючи низьку локальну концентрацію кисневмісних форм поблизу металевої поверхні.

Наявність зважених твердих частинок значно посилює ерозійну-корозію. Комерційні розчини гіпохлориту натрію часто містять хлорат натрію (NaClO3), хлорид натрію (NaCl) і частинки оксиду металу в результаті розкладання під час зберігання. У системах NaOCl можуть утворюватися навіть осади з жорсткої води, такі як карбонат кальцію. Такі частинки впливають на поверхню трубки зі швидкістю вище 2 м/с і викликають локалізовану пластичну деформацію, пасивний розрив плівки та проникнення абразивних частинок. У потоці-наповненому частинками швидкість ерозії-корозії може в 5-20 разів перевищувати швидкість, яка спостерігається в потоці чистої рідини за тієї самої швидкості.

Ерозія-Дані про швидкість корозії (кількісні)
Контрольовані циклові випробування титану 12 сорту в гіпохлориті натрію проводилися за допомогою апарата з обертовим циліндричним електродом (RCE) для отримання відтворюваних вимірювань ерозії-корозії. Швидкість втрати матеріалу, визначена втратою ваги після 500-годинної експозиції, отримана шляхом випробування при 40 °C у 5% доступному хлорі (як NaOCl, рН 11,5), з 8% вмістом хлориду, при швидкості обертання, що відповідає швидкості поверхні від 0,5 до 5,0 м/с, становить:

Для швидкості потоку 1,0 м/с швидкість ерозійної-корозії титану класу 12 становить менше 0,01 мм/рік, що неможливо відрізнити від статичної корозії. Швидкість залишається нижче 0,02 мм на рік при 1,5 м/с. При 2,0 м/с швидкість зростає до 0,05 мм на рік, що все ж прийнятно для труби зі стінкою 1,65 мм, розрахованої на 10 років експлуатації (загальний припуск 0,5 мм). При 2,5 м/с швидкість різко зростає до 0,15 мм щороку. І швидкість становить 0,35 мм щороку при 3,0 м/с. При 4,0 м/с швидкість становить 0,8 мм/рік. Швидкість становить понад 1,5 мм на рік при 5,0 м/с, достатньої для перфорації стінки труби 1,65 мм за 13 місяців.

Навпаки, титан класу 2 за порівнянних умов демонструє швидкість ерозійної корозії приблизно в 2-3 рази вищу за всіх швидкостей понад 2 м/с. При 3,0 м/с ступінь втрати матеріалу 2 становить 0,9 мм/рік, а при 4,0 м/с швидкість зростає до 2,0 мм/рік. Краща продуктивність класу 12 пояснюється вмістом молібдену, який підвищує твердість пасивної плівки та зменшує її вразливість до механічних пошкоджень, а також вмістом нікелю, який забезпечує швидку репасивацію після деградації плівки.

Швидкість ерозії-корозії збільшується в 4–6 разів для всіх швидкостей у присутності 50 ppm зважених частинок оксиду алюмінію (середній діаметр 20 мкм). Клас 12 втрачає матеріал 0,7 мм на рік при 2,5 м/с з частинками. З частинками зі швидкістю 3,5 м/с швидкість становить 1,8 мм на рік, і термін служби більше двох років стає неможливим.

Ерозія-корозія під впливом температури та концентрації
Температура сприяє електрохімічному розпаду та механічному послабленню плівки від ерозії-корозії. Швидкість ерозії-корозії для титану Grade 12 у 5% NaOCl за швидкості потоку 3,0 м/с є удвічі при 40 градусах порівняно з 30 градусами (від 0,18 мм/рік до 0,35 мм/рік). Підвищення температури з 40 градусів до 50 градусів збільшує швидкість ще в 1,8 раза (з 0,35 до 0,63 мм на рік). Гіпохлорит натрію термічно нестійкий вище 50 градусів і швидко розкладається на хлорат і хлорид з виділенням кисню. Продукти розкладання включають соляну кислоту, яка локально підкислює розчин і прискорює розчинення титану. З цих причин нагрівання NaOCl вище 50 градусів зазвичай не рекомендується, незалежно від обраного матеріалу.

Концентрація гіпохлориту також впливає на швидкість ерозії-корозії. Швидкість ерозії-корозії подвоюється (з 0,08 до 0,15 мм на рік), коли доступний хлор збільшується з 2% до 5% при 2,5 м/с і 40 градусах. Потроєння [від 5% до 10%] збільшує швидкість (0,15-0,45 мм на рік). Цей результат пояснюється збільшеною рушійною силою для електрохімічного розчинення від вищої концентрації окислювача після розриву пасивної плівки. Для концентрованих розчинів NaOCl (середній комерційний відбілювач 12-15% доступного хлору) обмеження щодо ерозії та корозії стають суворими – максимальна рекомендована швидкість потоку для класу 12 становить 1,5 м/с.

Матриця вибору швидкості потоку нагрівачів NaOCl
У наведеній нижче таблиці пропонуються інструкції з проектування для інженерів, що визначають титанові нагрівальні змійовики класу 12 для роботи з гіпохлоритом натрію, залежно від доступної концентрації хлору, робочої температури та того, чи є розчин освітленим або містить зважені тверді речовини.

Умови експлуатації Концентрація NaOCl (% наявного Cl₂) Температура (градуси) Макс. Рекомендована швидкість потоку (м/с) Очікувана швидкість ерозії-корозії (мм/рік) Оцінка терміну служби труби (товщина стінки 1,65 мм)
Зберігання відбілювача, нагрівання освітленого (без твердих речовин) 5-6 % 30-35 градусів 2,5 м/с 0,08-0,12 мм/рік 10-15 років
Нагрівання сховища відбілювача освітленого 5-6% 40-45 градусів 2,0 м/с 0,05-0,08 мм/рік 15-20 років
Нагрівання відбілювача, що зберігається, 10-12% 30-35 градусів 1,8 м/с 0,10-0,15 мм/рік 8-12 років
Відбілювач (відфільтрований) з целюлозного заводу 3-4% 40-45 градусів 2,2 м/с 0,08-0,10 мм/рік 12-15 років
Відбілювач целюлозного заводу (нефільтрований, мікроволокна) 3-4 % 40-45 градусів 1,5 м/с 0,15-0,25 мм/рік 5-8 років
Знезараження стічних вод (вторинні стоки, зважені частинки) 0,5-1% 25-30 град. 1,2 м/с 0,10-0,20 мм/рік 6-10 років
Хімічний технологічний нагрівач (чистий, інгібований NaOCl) 8-10% 45-50 градусів 1,2 м/с 0,20-0,35 мм/рік 3-5 років
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0,5 мм/рік<3 years
Підходи до проектування котушки контролю швидкості
У програмах із нагрівальними змійовиками швидкість потоку не є постійним параметром уздовж змійовика. Швидкість максимальна в трубах меншого діаметру та поблизу впускного отвору змійовика. Стратегії проектування для контролю ерозійної корозії включають використання більших діаметрів труб (25-32 мм зовнішнього діаметра) для зменшення швидкості для заданої об’ємної швидкості потоку, орієнтацію змійовиків вертикально, а не горизонтально для досягнення більш рівномірного розподілу потоку, а також додавання вирівнювачів потоку або дифузорів на вході змійовика для розбивання турбулентних струменів. У застосуваннях, де швидкості понад 2,5 м/с неминучі--наприклад, у одноразових-нагрівачах, підключених до існуючого високошвидкісного трубопроводу, важча стінна труба (2,5-3,0 мм) забезпечує додатковий припуск на корозію, хоча залежність не є лінійною, оскільки ерозія-корозія прискорюється в міру того, як стінка стоншується, а локальна швидкість збільшується через зменшення поперечний переріз.

Обхідний потік відводить лише частину загального потоку через нагрівач, тоді як основний потік йде в обхід. Обхідний потік може знизити швидкість-збоку труби без зменшення теплопередачі. Крім того, потік розбивається на кілька паралельних котушок, зменшуючи швидкість у кожній котушці. Для нових установок, коли очікуються швидкості, що наближаються до 2 м/с, рекомендується симуляція обчислювальної гідродинаміки (CFD) окремої конфігурації трубопроводу.

Резюме технічних характеристик нагрівача NaOCl
Для нагрівальних змійовиків, виготовлених із титану класу 12, що працюють із гіпохлоритом натрію, швидкість потоку вище 2 м/с призводить до помітної швидкості ерозії-корозії, яка швидко зростає зі збільшенням швидкості, температури, концентрації та зважених часток. Найвища безпечна швидкість для очищеного 5% NaOCl при 40 градусах становить 2,5 м/с, що дає прийнятну швидкість втрати матеріалу 0,1 мм на рік і термін служби трубки 10-15 років із товщиною стінки 1,65 мм. Для 10-12% NaOCl або температури > 45 градусів максимальна безпечна швидкість знижується до 1,5-1,8 м/с. Для будь-яких послуг, що включають нефільтровані технологічні потоки або абразивні частинки, швидкість має бути менше 1,5 м/с, бажано менше 1,0 м/с. Визначаючи нагрівальні змійовики класу 12, інженери повинні надати постачальнику розрахункову швидкість потоку (або об’ємну швидкість потоку та розміри труб), концентрацію доступного хлору, робочу температуру та оцінку навантаження зважених часток. Ці знання можуть бути використані для визначення правильного діаметра труби, товщини стінки та розташування змійовика таким чином, щоб швидкість ерозії та корозії була в прийнятних межах. Для тривалих швидкостей понад 2,5 м/с слід розглянути інші матеріали, такі як титан 7 класу (який має подібну стійкість до ерозії та корозії) або футеровану вуглецеву сталь. Клас 12 не забезпечить очікуваного терміну експлуатації за високошвидкісного потоку гіпохлориту.