За титаниева обвивка, нагряваща суспензия от пигмент от титанов диоксид в разредена сярна киселина (pH 2,5, 80 градуса), каква е критичната скорост на потока за предотвратяване на ерозия-корозия при завои?

Основният компромис в дизайна на титанов нагревател за абразивни киселинни суспензии
Пигментът TiO2 се получава чрез смилане на илменитова руда в концентрирана сярна киселина, последвано от разреждане, хидролиза и калциниране на разтвора. Междинните фази включват нагряване на суспензия от TiO2 пигмент в разредена сярна киселина (рН 2,5, 80 градуса). Суспензията съдържа 20-40 тегл.% твърди частици от TiO2 със среден диаметър от 0,2-0,5 микрона и е донякъде абразивна. Комбинираният ефект от киселинния електролит и удара на частици осигурява ерозионна-корозионна среда с нива на загуба на материал, по-високи от сбора на чистата ерозия и чистата корозия. Зоните на огъване на U-образни или змиевидни титанови нагревателни тръби са най-критичните части на нагревателните тръби, където пътят на потока се променя и частиците са принудени да се удрят във външната стена (екстрадос) с повишена скорост и ъгъл. Дебелината на стената дава възможност за пасивна корозия, но важната проектна променлива за избягване на преждевременна повреда е скоростта на потока на суспензията покрай нагревателя. Праговата скорост е надвишена и настъпва промяна от леко, равномерно износване до тежка, локализирана ерозия-корозия, която може да пробие 2,0-милиметрова титаниева стена за по-малко от шест месеца. Под тази прагова скорост покритието от пасивен титанов диоксид е стабилно и дебелини на стените от 1,0–1,2 mm имат експлоатационен живот от няколко години.

Въздействие върху механичната цялост: синергичен ефект на ерозия и корозия при завои
Скоростта на пасивна корозия на титан от клас 2 в разредена сярна киселина при pH 2,5 при статични условия или условия на нисък поток е 0,02-0,05 mm/година. Частиците на суспензията TiO 2 са химически идентични с пасивния филм; следователно има незначителни галванични ефекти. Ерозивният компонент обаче разрушава защитния оксиден слой по-бързо, отколкото той може да се пасивира отново. Към екстрите на огъването, ъглите на удара на частиците обикновено са в диапазона 30-60 градуса спрямо повърхността, областта, която максимизира загубата на материал за крехки-пластични материали като титан. Скоростта на ерозия-корозия е емпиричен степенен закон, w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn, с vv локалната скорост на частиците при завоя и nn обикновено 2,5–3,0 за титан в кисели суспензии. Значителната зависимост от скоростта предполага 6-8-кратно увеличение на скоростта на износване за удвояване на скоростта на потока. Скоростта на ерозия е незначителна за прав тръбен сегмент с поток, успореден на повърхността, тъй като частиците се плъзгат, вместо да се удрят. Основната разлика е, че поради ускорението на потока около завоя, локалната скорост при екстрадос за завоя може да бъде 1,5–2,5 пъти по-висока от скоростта на обемната суспензия. По този начин обемната скорост на потока в тръбата или резервоара трябва да бъде под прага, съответстващ на екстрадосна скорост на огъване от около 3–4 m/sec, където скоростта на ерозия-корозия е неприемлива.

Ефект на топлинна ефективност: Взаимодействие на температура-скорост
Термичният градиент през титаниевата обвивка влияе на ерозионния-корозионен механизъм, като засяга стабилността на пасивния филм. По-малката дебелина на стената предполага по-ниска повърхностна температура за дадена плътност на мощността и по този начин подобрена механична устойчивост на пасивния филм. При 80 градуса насипна температура, стена от 1,0 mm, работеща при 2,5 W/cm², има външна повърхност от около 92 градуса; 1,5 mm стена достига около 98 градуса. По-високите температури над 90 градуса водят до по-крехък пасивен филм върху титан и той е по-податлив на разцепване при удар на частици. Лабораторни ерозионни-корозионни тестове с използване на суспензии от TiO2 (40 тегл.%, pH 2,5, 80 градуса) показват, че прагът на критичната скорост за стена с дебелина 1,0 mm е 2,8 m/s (насипно състояние), но за стена с дебелина 1,5 mm тя е намалена до 2,2 m/s поради разцепването на по-горещия и по-крехък оксид. Следователно по-дебелата стена не само води до повече материал за износване, но също така намалява прозореца на безопасната работна скорост, което може да доведе до загуба на производствена производителност.

Синтез на компромис-: матрица за критична скорост и дебелина на стената
Следващата матрица показва критичната обемна скорост на потока на суспензията за титаниева обвивка, нагряваща суспензия от TiO2 в разредена сярна киселина (рН 2,5, 80 градуса, 30 тегл.% твърди вещества, среден размер на частиците 0,3 µm), определена като скоростта, при която скоростта на ерозия-корозия се равнява на 0,3 mm на година (еквивалент на 3-годишен живот за 1,0 мм стена с фактор на безопасност).

Радиус на огъване на тръбата (съотношение R/D) Дебелина на титаниевата стена Критична обемна скорост (m/s) за ерозия-Корозия Ограничена до<0.3 mm/year Expected Life at Critical Velocity Core Engineering Rationale
R=3× OD (тесен завой) 1,0 mm 1,8 m/s 2,5 – 3 години Тесният завой ускорява локалната скорост до 3,5-4,0 m/s при екстрадо. Тънката стена работи по-хладно, увеличавайки леко толеранса на скоростта. Не се препоръчва за продължителна употреба.
OD=3 x R (плътно огъване) 1,5 mm 1,4 m/s 2 – 2,5 години По-дебелата стена е по-гореща, намалявайки устойчивостта на пасивния филм. Локалната скорост остава висока Избягвайте тесни завои, независимо от дебелината на стената.
R=5× OD (щедро огъване) 1,0 mm 2,8 m/s 4 – 5 години Скорост на Extrados ≈ 1,3× насипно състояние; щедрият завой минимизира локалното ускорение. По-тънката стена поддържа повърхността по-хладна. Най-добрата комбинация за свежи дизайни.
R=5× OD (щедро огъване) 1,2 mm – 1,4 mm 2,5 m/sec 5 – 6 години По-лека по-дебела стена, позволява устойчивост на ерозия без прекалено повишаване на температурата. Много подходящ за чувствителни приложения с редки отклонения на скоростта.
R=8× OD (изключително голямо огъване) или права тръба с въртящи се лопатки 1,0 mm – 1,2 mm > 3,5 m/s > 8 години Премахва ускорението на огъване. Ерозията-корозията е от второстепенно значение. Дебелината на стената просто трябва да отговаря на критериите за налягане и корозия.
Инженеринг около завоя: Изправители на потока и ориентация на нагревателя
Когато архитектурата на резервоара прави малкия радиус на огъване (R < 4 x OD) неизбежен, две алтернативни техники могат да сведат до минимум ерозията-корозия, без да се жертва скоростта на производство. Коефициентът на локално ускорение на скоростта се намалява от 2,0 на 1,2 чрез прилагане на устройства за изправяне на потока или завъртане на лопатките нагоре по течението на завоя на нагревателя, за да се преориентира суспензията, за да следва контура на тръбата. Изчислителната симулация на динамиката на флуидите показва, че екстрадосната скорост на 3× OD завой с лопатка намалява от 4,0 m/s до 2,2 m/s при обемна скорост от 2,0 m/s, което е под критичния праг. Второ, нагревателят трябва да бъде ориентиран вертикално, като суспензията тече нагоре, така че частиците да се преместват покрай завоя, без да се утаяват или ударят под големи ъгли. Хоризонталната ориентация с извивки в хоризонталната равнина трябва да се избягва, тъй като гравитацията избутва частиците към екстрадосите, увеличавайки честотата на удара. И накрая, малко по-дебела стена (1,4–1,6 mm) със значителен радиус на огъване (R=6× OD) дава предпазлив дизайн за несигурни или променливи условия на потока, докато топлинната ефективност е понижена.

Заключение: Влияние на контрола на скоростта и геометрията на огъване върху дебелината на стената
Необходимата скорост на потока за предотвратяване на ерозия-корозия при завои в титанова обвивка, нагряваща суспензия от TiO 2 в разредена сярна киселина при pH 2,5 и 80 градуса, е приблизително 2,5–3,0 m/sec обемна скорост за добре изграден нагревател с R=5× OD и 1,0–1,2 mm дебелина на стената. По-бързо от това и загубата на материал ще бъде експоненциално по-голяма. Дебелите стени ще бъдат пробити след месеци. Ерозията-корозия под тази граница е незначителна и титаниевата обвивка с дебелина 1,0 mm има експлоатационен живот от 4–5 години. Основният съвет при проектирането е да изберете голям радиус на огъване (R по-голям или равен на 5× OD) и скорост на обемната суспензия под 2,5 m/sec, след което изберете дебелина на стената въз основа на корозионните изисквания и изискванията за механично боравене (обикновено 1,2 mm). Увеличаването на дебелината на стената без контрол на скоростта или формата на огъване е фалшиво чувство за сигурност. Стена от 2,0 мм при 3,5 м/сек се поврежда по-бързо от стена от 1,0 мм при 2,0 м/сек. Когато определяте нагреватели за абразивни киселинни суспензии, предоставете на производителя прогнозната скорост на суспензията и разпределението на размера на частиците и поискайте потвърждение за радиуса на огъване. Основното инженерно съображение е управлението на скоростта, а не максималната дебелина на стената.