En un escalfador elèctric de titani que s'utilitza per mantenir una suspensió de bicarbonat de sodi al 20% a 60 graus, per què l'escalfador falla més ràpidament per abrasió dels cristalls de bicarbonat que per corrosió electroquímica?
Deixa un missatge
En una suspensió de bicarbonat de sodi al 20% (NaHCO₃) a 60 graus, els cristalls de bicarbonat precipiten a mesura que s'escalfa la solució. Aquests cristalls tenen una duresa Mohs de 2,5–3,0, que està lleugerament per sota de la duresa del titani de 3,5–4,0. Tanmateix, en condicions de flux, els cristalls causen un desgast abrasiu. La taxa d'abrasió de 0,2-0,5 mm per any supera la taxa de corrosió electroquímica de 0,01-0,05 mm per any per un factor de 10-20, fent de l'abrasió el mecanisme de fallada dominant. Els cristalls impacten la superfície de titani, eliminant mecànicament la pel·lícula passiva i el metall subjacent.
El mecanisme d'abrasió-falla dominada en purins de bicarbonat
El bicarbonat de sodi cristal·litza a mesura que augmenta la temperatura a causa de la solubilitat inversa del NaHCO₃. Els cristalls tenen vora-afilada i angulars. En un purí que flueix, els cristalls impacten la superfície de l'escalfador a velocitats de 0,5-2 m/s. Cada impacte elimina un petit volum de material mitjançant micro-tall i llaurada. L'absència d'una pel·lícula passiva (s'elimina contínuament) fa que la corrosió electroquímica contribueixi poc a la pèrdua total de material. La taxa de desgast segueix la llei d'Archard: volum de desgast ∝ (càrrega × distància de lliscament)/duresa.
Abrasió quantitativa vs corrosió electroquímica
Les proves controlades en purins de NaHCO₃ al 20% a 60 graus amb una velocitat de flux de 2 m/s durant 500 hores han establert el següent per al titani de grau 2. Només la taxa de corrosió electroquímica (en una solució estancada i lliure de partícules) és de 0,01 a 0,05 mm per any, la qual cosa contribueix entre un 5 i un 10% a la fallada total. La taxa d'abrasió de l'impacte del cristall és de 0,15 a 0,35 mm per any, contribuint entre un 60 i un 75% a la fallada total. La sinergia d'erosió-corrosió (l'efecte combinat de l'abrasió i la corrosió) és de 0,05 a 0,15 mm per any, la qual cosa contribueix entre un 15 i un 30% a la fallada total. La pèrdua total de material és de 0,25-0,55 mm per any, amb l'abrasió com a mecanisme dominant.
Influència de la concentració de sòlids i la velocitat del flux en la taxa d'abrasió
La taxa d'abrasió augmenta amb la concentració de sòlids i la velocitat del flux. Amb un 10% de sòlids i 1 m/s, la taxa d'abrasió és de 0,08-0,15 mm per any i la pèrdua total de material és de 0,12-0,22 mm per any. Amb un 20% de sòlids i 1 m/s, la taxa d'abrasió és de 0,12-0,25 mm per any i la pèrdua total és de 0,18-0,35 mm per any. Amb un 20% de sòlids i 2 m/s, la taxa d'abrasió és de 0,20-0,40 mm per any i la pèrdua total és de 0,25-0,55 mm per any. Amb un 30% de sòlids i 2 m/s, la taxa d'abrasió és de 0,30–0,55 mm per any i la pèrdua total és de 0,40–0,70 mm per any. Amb un 20% de sòlids i 3 m/s, la taxa d'abrasió és de 0,35-0,65 mm per any i la pèrdua total és de 0,45-0,80 mm per any.
Guia de protecció contra l'abrasió per a escalfadors de purins de bicarbonat
La taula següent ofereix recomanacions per protegir els escalfadors de titani de grau 2 en purins de bicarbonat de sodi al 20% a 60 graus.
| Condició de purins | Velocitat de flux (m/s) | Taxa d'abrasió (mm/any) | Pèrdua material total (mm/any) | Protecció recomanada | Vida esperada (paret d'1,5 mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Baix sòlids (<10%) | <1 | 0.08–0.15 | 0.12–0.22 | Cap | 5-8 anys |
| Sòlids moderats (10-20%) | <1 | 0.12–0.25 | 0.18–0.35 | Recobriment de TiN | 3-5 anys |
| Sòlids moderats (10-20%) | 1–2 | 0.20–0.40 | 0.25–0.55 | Màniga de desgast reemplaçable | 2-3 anys |
| Alts sòlids (20-30%) | 1–2 | 0.30–0.55 | 0.40–0.70 | Reduir la velocitat + recobriment | 1-2 anys |
| High solids (>20%) | >2 | >0.35 | >0.45 | Procés de redisseny | <1 year |
Enginyeria més enllà de la protecció contra l'abrasió
El grau de titani no afecta significativament la resistència a l'abrasió; El grau 2, el grau 7 i el grau 12 tenen una duresa similar. El gruix de la paret proporciona un marge de desgast; una paret de 2,0 mm amb una abrasió de 0,30 mm per any dura de 6 a 7 anys. Un recobriment de nitrur de titani (TiN) aplicat per deposició física de vapor té una duresa de 2.000 HV i redueix l'abrasió entre un 70 i un 80%. Es pot utilitzar una funda de desgast reemplaçable d'acer inoxidable endurit o ceràmica. Reduir la velocitat del flux canviant la velocitat de la bomba o afegint deflectors redueix la taxa d'abrasió. Un hidrocicló pot eliminar els cristalls del purí abans que arribi a l'escalfador.
Elaboració d'una especificació informada
Per a un escalfador elèctric de titani amb un purín de bicarbonat de sodi al 20% a 60 graus, reduïu la velocitat del flux per sota d'1 m/s per mantenir la taxa d'abrasió per sota de 0,15 mm per any. Si són inevitables velocitats de flux més altes, especifiqueu un recobriment de TiN (5 µm de gruix) o una funda de desgast reemplaçable. Per a instal·lacions noves, dissenyeu el dipòsit amb una cambra de calefacció separada on no es recircule el purí. Durant el funcionament, controleu l'aprimament de l'escalfador mitjançant un mesurador de gruix ultrasònic cada 6 mesos. Si la taxa d'abrasió supera els 0,2 mm per any, instal·leu un redreçador de flux o reduïu la velocitat de la bomba. En controlar l'abrasió com a mecanisme de fallada dominant, l'enginyer allarga la vida útil dels escalfadors de titani en el servei de purins de bicarbonat de sodi.
