Чому в титановому електричному нагрівачі, який використовується для підтримки 20% суспензії бікарбонату натрію при 60 градусах, нагрівач виходить з ладу швидше через стирання від кристалів бікарбонату, ніж через електрохімічну корозію?

При нагріванні розчину кристали бікарбонату випадають в осад. Це суспензія 20% гідрокарбонату натрію (NaHCO3) при 60 С. Твердість за Моосом цих кристалів становить 2,5-3,0, що трохи нижче твердості титану, 3,5-4,0. Але кристали викликають абразивне зношування в умовах течії. Ця швидкість стирання становить 0,2–0,5 мм на рік^-1, що на порядок більше, ніж швидкість електрохімічної корозії 0,01–0,05 мм на рік^-1, і в механізмі руйнування домінує стирання. Вплив кристалів на поверхню титану механічно видаляє пасивну плівку та метал під нею.

Механізми руйнування бікарбонатних суспензій при стиранні

Падіння розчинності NaHCO₃ викликає кристалізацію бікарбонату натрію з підвищенням температури. Кристали мають гострі-краї та кутасті. Швидкість потоку шламу, що містить кристали, на поверхні нагрівача становила 0,5–2 м/с. "Кожний удар видаляє невеликий об’єм матеріалу шляхом мікро-різання та оранки. Оскільки пасивного покриття немає (воно постійно видаляється), електрохімічна корозія відіграє незначну роль у загальних втратах матеріалу. Швидкість зношування відповідає закону Арчарда: об’єм зношування ∝ (навантаження × відстань ковзання)/твердість.

Електрохімічна корозія проти кількісного стирання

Було показано, що титан 2 класу під час контрольованих випробувань протягом 500 годин у 20% суспензії NaHCO3 при 60 градусах і швидкості потоку 2 м/с демонструє наступне. Швидкість лише електрохімічної корозії (в нерухомій рідині, вільній від частинок) становить 0,01–0,05 мм на рік, що становить 5–10% від загальної відмови. Несправність пов’язана з ударом кристала на 60–75% зі швидкістю стирання 0,15–0,35 мм/рік. Синергія ерозії та корозії (стирання та корозії разом) становить 0,05-0,15 мм/рік і становить 15-30% від загального руйнування. Загальна втрата матеріалу становить 0,25–0,55 мм на рік−1, причому основним процесом є стирання.

Вплив концентрації твердих речовин і швидкості потоку на швидкість стирання

Концентрація твердих речовин і швидкість потоку підвищують швидкість стирання. Швидкість стирання при 10% твердих частинок і 1 м/с 0,08-0,15 мм на рік Загальна втрата матеріалу 0,12-0,22 мм на рік Швидкість стирання становить 0,12-0,25 мм/рік при 20% твердих речовин і 1 м/с, тоді як загальні втрати становлять 0,18-0,35 мм/рік. При 20% твердих речовин і 2 м/с швидкість стирання становить 0,20-0,40 мм/рік, а загальна втрата становить 0,25-0,55 мм/рік. При 30% твердих речовин і 2 м/с швидкість стирання становить 0,30-0,55 мм/рік, а загальна втрата становить 0,40-0,70 мм/рік. При 20% твердих речовин і 3 м/с швидкість стирання становить 0,35–0,65 мм/рік, а загальна втрата становить 0,45–0,80 мм/рік.

Захист від стирання для нагрівачів суспензії бікарбонату: посібник

Рекомендації щодо захисту титанових нагрівачів класу 2 у 20% суспензії бікарбонату натрію при 60 градусах наведено в таблиці нижче.

Умови суспензії Швидкість потоку (м/с) Швидкість стирання (мм/рік) Загальна втрата матеріалу, мм/рік Рекомендований очікуваний термін служби захисту (стінка 1,5 мм)
Низький вміст твердих речовин (<10%) <1 0.08–0.15 0.12–0.22None 5-8 Years
Помірні тверді речовини (10–20%)<1 0.12–0.25 0.18–0.35 Coated with TiN 3–5 years
Помірний вміст твердих частинок (10-20%)1–2 0.20–0.40 0.25–0,55 Зношуваний рукав, замінний. 2-3 років
Високий вміст твердих речовин (20–30%) 1–2 0.30–0.55 0.40–0,70 Зменшити швидкість + покриття 1–2 роки
High solids (>20%) > 2 > 0,35 > 0,45 Процес редизайну < 1 року
Техніка більше, ніж захист від стирання

Сорт титану мало впливає на його стійкість до стирання. Клас 2, клас 7 і клас 12 еквівалентні за твердістю. Товщина стінки забезпечує допуск на знос. Стіна товщиною 2,0 мм із стиранням 0,30 мм на рік прослужить 6-7 років. Шар нітриду титану (TiN), нанесений шляхом фізичного осадження з парової фази, має твердість 2000 HV і знижує стирання на 70-80 відсотків. Це може бути замінна захисна втулка, вона може бути із загартованої нержавіючої сталі або кераміки. Змінюючи швидкість насоса або додаючи перегородки, можна зменшити швидкість потоку, що знижує швидкість стирання. Гідроциклон може видалити кристали з суспензії перед її подачею до нагрівача.

Надання обґрунтованої специфікації

Для титанового електричного нагрівача в 20% суспензії бікарбонату натрію при 60 градусах швидкість потоку має бути обмежена до менше 1 м/с, щоб підтримувати швидкість стирання нижче 0,15 мм/рік. Там, де не можна уникнути більшої швидкості потоку, вкажіть покриття TiN (товщина 5 мкм) або змінну захисну втулку. Для нових установок резервуар повинен мати окрему камеру нагріву без рециркуляції шламу. Контролюйте нагрівач для розрідження за допомогою ультразвукового товщиноміру кожні 6 місяців роботи. Якщо швидкість ерозії перевищує 0,2 мм на рік, додайте вирівнювач потоку або зменшіть швидкість насоса. Стирання контролюється інженером як основний механізм відмови для збільшення терміну служби титанових нагрівачів у суспензії бікарбонату натрію.