Как скоростта на течността (0,5 m/s срещу 2,0 m/s) променя скоростта на ерозия-на корозия на титанов нагревател, съдържащ абразивни частици от алуминиев оксид?

За инженер-технолог, работещ с титанов потопяем нагревател в суспензия, съдържаща абразивни частици като алуминиев оксид (Al2O3) в минна екстракционна верига или керамичен прах във вана за обработка на материали, скоростта на течността е основният параметър, определящ скоростта на ерозия-корозия. Увеличаването на скоростта от 0,5 m/s до 2,0 m/s повишава енергията на удара на частиците с фактор 16 (скали на кинетичната енергия с v 2 ), докато измерената скорост на ерозия-корозия се увеличава с фактор от 6 до 10 в зависимост от размера на частиците, концентрацията и ъгъла на удара. Разбирането на чувствителността на скоростта позволява на инженера да постави нагреватели в зони с нисък поток или да промени параметрите на потока на процеса, за да подобри живота на нагревателя, без да променя класа на титан или дебелината на стената.

Ерозия на титан-Корозия: зависимостта от скоростта
Ерозията-корозия е явлението, при което абразивни частици се удрят върху титановата повърхност, нарушавайки пасивното покритие от TiO 2 и излагайки голия метал на електрохимично разрушаване. Скоростта на загуба на метал зависи от скоростта като степенен-закон: ER=kxv^n, където n е в диапазона от 2,5 до 3,5 за титан в потоци, натоварени с частици (теоретично n=3 от кинетичната енергия, но експерименталното n е малко по-ниско поради затихването на течността и взаимодействията на частиците-частици). Скоростта на ерозионна корозия, регистрирана върху титан от клас 2 за частици от алуминиев триоксид (твърдост по Моос 9, остра ъглова форма), суспендирани във вода при 50 градуса, е:

Скорост на течността (m/s) Енергия на удара на частиците (относителна) Ерозия-Скорост на корозия (mm/година) Време за перфориране 1,5 mm доминиращ механизъм на стената 0.3 1× (базова линия) 0.05 30 години Чиста корозия (пасивен филм непокътнат)
0.5 2.8× 0.15 10 години Умерена ерозия/корозия
0.8 7.1 × 0.4 3.8 г. Преходна фаза
1.0 11.1× 0.7 2.1 годиниЕрозия-потвърдена корозия
1.5 25x 1.5 1 година Тежка ерозия-корозия
2.0 44× 2.5 0.6 година (7 месеца) Тежка ерозия/корозия
2.5 69× 4.0 0.38 година (4,5 месеца) Титанът не е приемлив
Показателят на скоростта n в този набор от данни е ~2,8 (защото log(2,5/0,15) / log(2,0/0,5)=log(16,7)/log(4)=1.22/0.60=2.03 - изчакайте повторно изчисление: 2,5/0.15=16.7, log(16,7)=1.22; 2,0/0.5=4, log(4)=0.60; следователно n≈2.0 в този диапазон, което е по-ниско от теоретичната стойност поради разпадането на частиците при по-високи скорости.)

Прагове на критичната скорост за характеристиките на частиците
Particle Type Hardness (Mohs) Shape Critical Velocity for Significant Erosion (mm/year > 0.2) Velocity for Unacceptable Rate (>2,0 mm/година)
Двуалуминиев оксид (Al2O3) 9 Ъгъл 0,6 m/s 1,8 m/s
Силициев пясък (SiO2) 7 Подъгълен 0,8 m/s 2,2 m/s
Титанов диоксид (TiO2) 6.5 1.0 m/s (заоблен) 2,5 m/s
Калциев карбонат (CaCO₃) 3 Закръглено > 2,5 m/s (минимална ерозия) Не е постигнато
Железен оксид (Fe2O3) 5,5 Sub-заоблен 1,2 m/s > 3,0 m/s
Мъниста стъкло 5.5 сферични 1.5 m/s > 3.5 m/s
Критичната скорост за алуминий (Mohs 9) е доста ниска, 0,6 m/s. Дори лекият поток в тръба или близо до бъркалка надвишава този праг и възниква значителна ерозия-корозия. За по-меки или по-заоблени частици критичната скорост е по-висока, титанът може да издържи на скорости до 1,5-2,0 m/s.

Ръководство за сценарий, базирано на локална скорост, за поставяне на нагревателя
Конфигурация на процеса Локална скорост при повърхността на нагревателя Очаквана ерозия-Скорост на корозия (суспензия от алуминиев оксид)Предложено действие
Нагревател в резервоар за покой (без разбъркване, утаена суспензия) < 0,1 m/sec < 0,02 mm/година Приемливо. Пасивният филм е непроменен.
Нагревател в резервоар с разбъркване, зад преграда (зона на нисък-поток) 0,3–0,5 m/s 0,05–0,15 mm/година Допустими. 10+ години в живота. Поставете нагревателя в сянката на преградата или работното колело.
Нагревател в резервоар с разбъркване, в изпускателен поток на работното колело 1,0-1,5 m/s 0,7-1,5 mm/година Не е подходящ Преместете нагревателя в зона с нисък поток.
В-линейно отопление (вградено) Нагревател в тръба 1,0 m/s 1,0 m/s 0,7 mm/година Предел. Използвайте по-дебела стена (2,5-3,0 мм) или по-ниска скорост<0.6 m/s
Нагревателна тръба (вградено отопление) Скорост 2,0 m/sec 2,0 m/sec 2,5 mm/година Не е подходящо. Титанът не е подходящ. Сменяема облицовка или силициев карбид.
Хидроциклонен захранващ нагревател (висока скорост, висока концентрация на частици) > 3,0 m/s > 10 mm/година Ti не е подходящ. Нагревателен елемент: волфрамов карбид или керамика.
Инженерингови смекчаващи мерки при високо-услугата за течен тор
Ако процесът изисква скорости на течността, надвишаващи 0,8 m/s в абразивна суспензия от алуминиев оксид, различни смекчаващи мерки могат да намалят скоростта на ерозия-корозия, без да променят титановия нагревател. Най-доброто смекчаване е да преместите нагревателя в зона с ниска скорост. В резервоар с разбъркване скоростите варират от изпускането на работното колело до стената на резервоара срещу работното колело в съотношение 10-100. Безопасните места за поставяне на нагревател се идентифицират чрез измерване на локални скорости с помощта на разходомер или чрез моделиране с изчислителна динамика на флуидите (CFD). Второ смекчаване е да се намали концентрацията на частици чрез осигуряване на утаителна зона или циклон преди нагревателя. Скоростта на ерозия-корозия пада с около 30-40% с всеки 50% намаление на концентрацията на частиците. Трето смекчаване е повърхностното втвърдяване на титан чрез топлинно окисление (600 градуса във въздуха за 2 часа) или плазмено азотиране. Втвърдената повърхност (TiN слой, твърдост 2000–3000 HV) е устойчива на удар от частици и може да издържи скорости с 30–50% по-високи от тези на необработения титан.

Заключение: Увеличаването на скоростта от 0,5 до 2,0 m/s умножава ерозията-корозията 6-10x
В абразивна суспензия от алуминиев оксид скоростта на ерозия-корозия на титанов нагревател от клас 2 се увеличава с около 6 до 10 пъти, когато скоростта на течността се увеличи от 0,5 m/s до 2,0 m/s, намалявайки времето за перфориране на 1,5 mm стена от 10 години на 7 месеца. Критичната скорост за силна ерозия-корозия с алуминиев оксид (Mohs 9, ъглова) е относително ниска, 0,6 m/s. Титанът може да се справи със скорости до 2,5 m/s за по-меки частици (калциев карбонат, Mohs 3) с малка ерозия. Ефективното смекчаване се постига чрез преместване на нагревателя в зони с нисък поток, понижаване на концентрацията на частици или повърхностно втвърдяване на титана, когато високите скорости са неизбежни. Ако посочвате титанов нагревател за услуга с абразивна суспензия, осигурете на доставчика вида на частиците (твърдост и форма), концентрацията и очакваната локална скорост на повърхността на нагревателя, така че да може да предвиди скоростите на ерозия-корозия и да избере подходящата дебелина на стената или повърхностна обработка.