Почему в титановом электронагревателе, используемом для поддержания 20% суспензии бикарбоната натрия при температуре 60 градусов, нагреватель выходит из строя быстрее из-за истирания кристаллов бикарбоната, чем из-за электрохимической коррозии?
Оставить сообщение
В суспензии 20% бикарбоната натрия (NaHCO₃) при температуре 60 градусов кристаллы бикарбоната выпадают в осадок по мере нагревания раствора. Эти кристаллы имеют твердость по шкале Мооса 2,5–3,0, что немного ниже твердости титана 3,5–4,0. Однако в условиях течения кристаллы вызывают абразивный износ. Скорость истирания 0,2–0,5 мм в год превышает скорость электрохимической коррозии 0,01–0,05 мм в год в 10–20 раз, что делает истирание доминирующим механизмом разрушения. Кристаллы воздействуют на поверхность титана, механически удаляя пассивную пленку и основной металл.
Механизм абразивного разрушения-преобладает в бикарбонатных суспензиях
Бикарбонат натрия кристаллизуется при повышении температуры из-за обратной растворимости NaHCO₃. Кристаллы имеют острые-края и угловатые края. В текущей суспензии кристаллы ударяются о поверхность нагревателя со скоростью 0,5–2 м/с. При каждом ударе удаляется небольшой объем материала посредством микро-срезания и вспашки. Отсутствие пассивной пленки (она постоянно удаляется) означает, что электрохимическая коррозия мало влияет на общие потери материала. Скорость износа подчиняется закону Арчарда: объем износа ∝ (нагрузка × расстояние скольжения)/твердость.
Количественная абразивность и электрохимическая коррозия
Контролируемые испытания в суспензии 20% NaHCO₃ при температуре 60 градусов и скорости потока 2 м/с в течение 500 часов установили следующее для титана класса 2. Одна только скорость электрохимической коррозии (в застойном растворе, не содержащем частиц) составляет 0,01–0,05 мм в год, что составляет 5–10% от общего разрушения. Скорость истирания от удара кристалла составляет 0,15–0,35 мм в год, что составляет 60–75% общего разрушения. Синергия эрозии-коррозии (совместное воздействие истирания и коррозии) составляет 0,05–0,15 мм в год, что составляет 15–30 % общего разрушения. Общие потери материала составляют 0,25–0,55 мм в год, преобладающим механизмом является истирание.
Влияние концентрации твердых частиц и скорости потока на скорость истирания
Скорость истирания увеличивается с увеличением концентрации твердых частиц и скорости потока. При 10 % твердых частиц и скорости 1 м/с скорость истирания составляет 0,08–0,15 мм в год, а общие потери материала – 0,12–0,22 мм в год. При 20% сухого остатка и скорости 1 м/с скорость истирания составляет 0,12–0,25 мм в год, а общая потеря – 0,18–0,35 мм в год. При 20% сухого остатка и скорости 2 м/с скорость истирания составляет 0,20–0,40 мм в год, а общая потеря – 0,25–0,55 мм в год. При 30% сухого остатка и скорости 2 м/с скорость истирания составляет 0,30–0,55 мм в год, а общая потеря – 0,40–0,70 мм в год. При 20 % твердых частиц и скорости 3 м/с скорость истирания составляет 0,35–0,65 мм в год, а общая потеря – 0,45–0,80 мм в год.
Руководство по защите от истирания нагревателей бикарбонатной суспензии
В следующей таблице приведены рекомендации по защите титановых нагревателей класса 2 в 20% растворе бикарбоната натрия при температуре 60 градусов.
| Состояние суспензии | Скорость потока (м/с) | Скорость истирания (мм/год) | Общие потери материала (мм/год) | Рекомендуемая защита | Ожидаемый срок службы (стенка 1,5 мм) |
|---|---|---|---|---|---|
| Низкое содержание твердых веществ (<10%) | <1 | 0.08–0.15 | 0.12–0.22 | Никто | 5–8 лет |
| Умеренное содержание твердых частиц (10–20%) | <1 | 0.12–0.25 | 0.18–0.35 | покрытие TiN | 3–5 лет |
| Умеренное содержание твердых частиц (10–20%) | 1–2 | 0.20–0.40 | 0.25–0.55 | Сменная износная втулка | 2–3 года |
| Высокое содержание твердых веществ (20–30%) | 1–2 | 0.30–0.55 | 0.40–0.70 | Уменьшить скорость + покрытие | 1–2 года |
| High solids (>20%) | >2 | >0.35 | >0.45 | Процесс редизайна | <1 year |
Инженерное дело помимо защиты от истирания
Марка титана существенно не влияет на стойкость к истиранию; Марки 2, 7 и 12 имеют одинаковую твердость. Толщина стенки обеспечивает припуск на износ; стенка толщиной 2,0 мм при истираемости 0,30 мм в год сохраняется 6–7 лет. Покрытие из нитрида титана (TiN), нанесенное методом физического осаждения из паровой фазы, имеет твердость 2000 HV и снижает истирание на 70–80%. Можно использовать сменную изнашиваемую втулку из закаленной нержавеющей стали или керамики. Уменьшение скорости потока путем изменения скорости насоса или установки перегородок снижает скорость истирания. Гидроциклон может удалять кристаллы из суспензии до того, как она достигнет нагревателя.
Создание обоснованной спецификации
Для титанового электронагревателя в суспензии 20% бикарбоната натрия при температуре 60 градусов уменьшите скорость потока ниже 1 м/с, чтобы поддерживать скорость истирания ниже 0,15 мм в год. Если более высокие скорости потока неизбежны, используйте покрытие TiN (толщина 5 мкм) или сменную изнашиваемую втулку. Для новых установок спроектируйте резервуар с отдельной нагревательной камерой, в которой суспензия не рециркулируется. В процессе эксплуатации каждые 6 месяцев контролируйте нагреватель на предмет утонения с помощью ультразвукового толщиномера. Если скорость истирания превышает 0,2 мм в год, установите выпрямитель потока или уменьшите скорость вращения насоса. Контролируя истирание как основной механизм разрушения, инженер продлевает срок службы титановых нагревателей при работе с суспензиями бикарбоната натрия.
