כיצד משפיעה מהירות זרימה מעל 2 מ"ש לשנייה על קצב השחיקה-של סלילי חימום טיטניום בדרגה 12 בשירות נתרן היפוכלוריט?

נתרן היפוכלוריט (NaOCl) הוא חומר הלבנה נפוץ, חומר חיטוי ומחמצן במפעלי עיסת נייר, מתקני טיפול במים ומפעלי עיבוד כימיים. החימום של תמיסות נתרן היפוכלוריט הוא אחד התנאים הקשים ביותר עבור ציוד חימום מתכתי בשל ריכוז חמצון גבוה, תכולת כלוריד וטמפרטורות קיצוניות, הנדרשים בדרך כלל כדי לשפר את קינטיקה של התגובה או לשמר את יציבות האחסון. טיטניום דרגה 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) הופך לחומר המועדף עבור מחממי NaOCl. הוא מציע עמידות טובה יותר להפחתת התקפת חומצה וקורוזיה מדרגה 2. כאשר מהירות הזרימה היא מעל 2 m/s, לעומת זאת, תהליך כשל פחות ידוע, קורוזיה-שחיקה, שולט במשטח סליל החימום. במהירויות גבוהות, פירוק אלקטרוכימי סינרגטי הנגרם על ידי הסרה מכנית של ציפויים פסיביים על ידי גזירת נוזלים וחלקיקים מוצקים מרחפים מייצר קצבי דילול דופן שיכולים לחורר צינור מד סטנדרטי- תוך חודשים. מאמר זה מעריך את התנהגות השחיקה-קורוזיה של טיטניום דרגה 12 בשירות NaOCl כפונקציה של מהירות זרימה, ריכוז היפוכלוריט וטמפרטורה, ומספק מגבלות עיצוב עבור מחממים מסוג סליל שבהם מהירויות הזרימה משתנות באופן מהותי.

שחיקה-מנגנון קורוזיה במדיום היפוכלוריט
שחיקה-שחיקה אינה שחיקה מכנית טהורה ולא קורוזיה אלקטרוכימית טהורה, אך שני המנגנונים תורמים באופן סינרגטי לאובדן חומר. טיטניום דרגה 12 הראה סרט פסיבי מגן TiO2 בתמיסות נתרן היפוכלוריט סטטיות או נמוכות -. היפוכלוריט הוא מחמצן חזק מאוד (פוטנציאל הפחתה סטנדרטי ClO-/Cl-=+0.89 V לעומת SHE) כך שהסרט נוצר מהר ותוספות הסגסוגות של מוליבדן וניקל מונעות ממנו להתפרק בנוכחות כלורידים. במהירויות זרימה מתחת ל-1.5 מ"מ/שניה, הסרט הפסיבי יציב ושיעורי הקורוזיה הם בדרך כלל פחות מ-0.01 מ"מ לשנה.

כאשר מהירות הזרימה עולה על 2 m/s, מתח גזירת הנוזל בדופן הצינור מתחיל להפריע מכנית לסרט הפסיבי. מתח הגזירה החיוני להסרת הסרט הפסיבי על טיטניום דרגה 12 ב-5% NaOCl ב-40 מעלות הוא בסדר גודל של 15 Pa, המתאים לקצב זרימת מים של 2.0-2.3 מ'/שנייה על פני משטח צינור חלק. עם הסרה מכנית של השכבה הפסיבית, הטיטניום החשוף שנחשף מתמוסס מהר בסביבת ההיפוכלוריט, עם קצבי המסה על משטחים שנשחקו טריים מוערכים ב-0.5-2.0 מ"מ בשנה. בהיפוכלוריט סטטי, רפסיבציה מתרחשת בתוך אלפיות שניות, אך זרימת ההיפוכלוריט מונעת רפורמה מלאה של הסרט על ידי סחיפת יוני הטיטניום המומסים באופן רציף ועל ידי שמירה על הריכוז המקומי של מינים המכילים חמצן בקרבת משטח המתכת נמוך.

נוכחותם של חלקיקים מוצקים מרחפים מחמירה מאוד את השחיקה-הקורוזיה. תמיסות נתרן היפוכלוריט מסחריות מכילות לרוב נתרן כלורט (NaClO3), נתרן כלורי (NaCl) וחלקיקי תחמוצת מתכתיים כתוצאה מפירוק במהלך האחסון. אפילו משקעי מים קשים כמו סידן פחמתי יכולים להיווצר במערכות NaOCl. חלקיקים כאלה משפיעים על פני הצינור במהירויות גבוהות מ-2 מ'/שנייה וגורמים לעיוות פלסטי מקומי, קריעת סרט פסיבי והטבעת חלקיקים שוחקים. בזרימת חלקיקים-עמוסה, שיעורי השחיקה-יכולים להיות פי 5-20 מהקצבים הנצפים בזרימת נוזל נקי באותה מהירות.

שחיקה-נתוני שיעור קורוזיה (כמותי)
בדיקות לולאה מבוקרות של טיטניום בדרגה 12 בנתרן היפוכלוריט בוצעו באמצעות מנגנון אלקטרודת צילינדר מסתובב (RCE) כדי לתת מדידות קורוזיה-ניתנות לשחזור. שיעורי אובדן החומר, כפי שנקבע על ידי ירידה במשקל לאחר חשיפה של 500 שעות, המתקבלים על ידי בדיקה ב-40 C ב-5% כלור זמין (כמו NaOCl, pH 11.5), עם תכולת כלוריד של 8%, במהירויות סיבוב המתאימות למהירויות פני השטח של 0.5 עד 5.0 מ'/שניה, הם:

עבור מהירות זרימה של 1.0 מ"ש לשנייה, קצב השחיקה-של טיטניום דרגה 12 הוא פחות מ-0.01 מ"מ לשנה, שאין להבדיל מקורוזיה סטטית. הקצב נשאר מתחת ל-0.02 מ"מ בשנה ב-1.5 מ"ש. ב-2.0 מ"מ לשנייה הקצב מטפס ל-0.05 מ"מ בשנה, בכל זאת מקובל עבור צינור קיר בגודל 1.65 מ"מ המיועד להפעלה של 10 שנים (הקצבה כוללת של 0.5 מ"מ). ב-2.5 מ"מ לשנייה הקצב עולה באופן דרמטי ל-0.15 מ"מ בכל שנה. והקצב הוא 0.35 מ"מ בכל שנה ב-3.0 מ' לשנייה. ב-4.0 מ"מ לשנייה הקצב הוא 0.8 מ"מ לשנה. הקצב הוא יותר מ-1.5 מ"מ לשנה ב-5.0 מ' לשנייה מספיק כדי לחורר דופן צינור של 1.65 מ"מ תוך 13 חודשים.

לעומת זאת, טיטניום דרגה 2, בתנאים דומים, מציג שיעורי קורוזיה בשחיקה בסביבות פי 2-3 בכל המהירויות מעל 2 מ' לשנייה. ב-3.0 מ"מ לשנייה, דרגה 2 מאבדת חומר בקצב של 0.9 מ"מ לשנה, וב-4.0 מ"מ לשנייה, הקצב עולה ל-2.0 מ"מ לשנה. הביצועים הטובים יותר של דרגה 12 נובעים מתכולת המוליבדן המגבירה את קשיות הסרט הפסיבי ומקטינה את פגיעותו לשיבושים מכניים ותכולת הניקל המאפשרת החזרה מהירה לאחר פירוק הסרט.

שיעורי השחיקה- גדלים בפקטור של 4 עד 6 עבור כל המהירויות בנוכחות חלקיקי אלומינה מרחפים של 50 ppm (קוטר ממוצע 20 מיקרומטר). דרגה 12 מאבדת חומר ב-0.7 מ"מ בשנה במהירות של 2.5 מ"ש עם חלקיקים. עם חלקיקים במהירות של 3.5 מ"מ לשנייה, הקצב הוא 1.8 מ"מ בשנה וכל חיי שירות מעבר לשנתיים הופכים לבלתי אפשריים.

שחיקה-קורוזיה כפי שמושפעת מטמפרטורה וריכוז
הטמפרטורה מקדמת את הפירוק האלקטרוכימי ואת החלשת הסרט המכאני של קורוזיה-. קצב השחיקה- של טיטניום דרגה 12 ב-5% NaOCl במהירות זרימה של 3.0 מ"מ לשנייה כפול ב-40 מעלות בהשוואה ל-30 מעלות (0.18 מ"מ לשנה עד 0.35 מ"מ לשנה). העלאת הטמפרטורה מ-40 מעלות ל-50 מעלות מעלה את הקצב בגורם נוסף של 1.8 (מ-0.35 ל-0.63 מ"מ בשנה). נתרן היפוכלוריט אינו יציב תרמית מעבר ל-50 מעלות ומתפרק במהירות לכלורט וכלוריד עם התפתחות החמצן. תוצרי הפירוק כוללים חומצה הידרוכלורית המחמצת באופן מקומי את התמיסה ומאיצה פירוק טיטניום. מסיבות אלה, חימום NaOCl מעל 50 מעלות מונע בדרך כלל, ללא קשר לחומר הנבחר.

ריכוז ההיפוכלוריט משפיע גם על קצב השחיקה-הקורוזיה. קצב השחיקה-מכפיל את עצמו (מ-0.08 ל-0.15 מ"מ בשנה) כאשר הכלור הזמין עולה מ-2% ל-5% ב-2.5 מ' לשנייה ו-40 מעלות. השלשה [מ-5% ל-10%] מגבירה את הקצב (0.15 עד 0.45 מ"מ בשנה). תוצאה זו נובעת מהכוח המניע המוגבר לפירוק אלקטרוכימי מריכוז החמצון הגבוה יותר ברגע שהסרט הפסיבי נפרץ. עבור תמיסות NaOCl מרוכזות (אקונומיקה מסחרית ממוצעת 12-15% כלור זמין), ההגבלות על שחיקה-קורוזיה נעשות חמורות - מהירות הזרימה המקסימלית המומלצת עבור דרגה 12 היא 1.5 מ"ש.

מטריצה ​​של סלילי חימום NaOCl בחירת מהירות זרימה
הטבלה שלהלן מציעה הנחיות תכנון למהנדסים המציינים סלילי חימום טיטניום דרגה 12 עבור שירות נתרן היפוכלוריט, בהתאם לריכוז הכלור הזמין, טמפרטורת הפעולה והאם התמיסה מובהרת או מכילה מוצקים מרחפים.

מצב שירות NaOCl ריכוז (% תועלת Cl₂) טמפרטורה (מעלה) מקסימום. מהירות זרימה מומלצת (מ/ש) צפויה שחיקה-קצב קורוזיה (מ"מ/שנה) אומדן חיי צינור (1.65 מ"מ עובי דופן)
אחסון אקונומיקה, חימום מובהר (ללא מוצקים) 5-6% 30-35 מעלות 2.5 מ'/שניה 0.08-0.12 מ"מ/שנה 10-15 שנים
חימום של אחסון אקונומיקה מובהר 5-6% 40-45 מעלות 2.0 מ"ש 0.05-0.08 מ"מ/שנה 15-20 שנים
חימום של אקונומיקה מאוחסנת 10-12% 30-35 מעלות 1.8 מ"ש 0.10-0.15 מ"מ לשנה 8-12 שנים
צמח אקונומיקה (מסונן) מטחנת עיסת 3-4% 40-45 מעלות 2.2 מ'/שניה 0.08-0.10 מ"מ/שנה 12-15 שנים
מפעל אקונומיקה של טחנת עיסת (לא מסונן, סיבי עקבות) 3-4% 40-45 מעלות 1.5 מ'/שניה 0.15-0.25 מ"מ/שנה 5-8 שנים
חיטוי שפכים (קולחים משניים, חלקיקים מרחפים) 0.5-1% 25-30 מעלות 1.2 מ'/שנייה 0.10-0.20 מ"מ/שנה 6-10 שנים
מחמם תהליך כימי (נקי, מעוכב NaOCl) 8-10% 45-50 מעלות 1.2 מ'/שנייה 0.20-0.35 מ"מ/שנה 3-5 שנים
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0.5 מ"מ/שנה<3 years
גישות עיצוב עבור סליל בקרת מהירות
ביישומים עם סלילי חימום, מהירות הזרימה אינה פרמטר קבוע לאורך כל הסליל. המהירות היא מקסימלית בצינורות בקוטר קטן יותר וליד כניסת הסליל. אסטרטגיות עיצוב לבקרת קורוזיה בשחיקה כוללות שימוש בקטרים ​​גדולים יותר של צינורות (25-קוטר חיצוני 32 מ"מ) כדי להפחית את המהירות עבור קצב זרימה נפחי נתון, כיוון הסלילים אנכית ולא אופקית להשגת חלוקת זרימה אחידה יותר, והוספת מיישרי זרימה או מפזרים בכניסת הסליל כדי לשבור סילונים סוערים. ביישומים שבהם מהירויות גבוהות מ-2.5 מ"מ לשנייה בלתי נמנעות--לדוגמה, בתנורי חימום פעם אחת- המחוברים לצנרת קיימת במהירות גבוהה - צינור קיר כבד יותר (2.5-3.0 מ"מ) מספק תוספת קורוזיה, אם כי הקשר אינו ליניארי מכיוון שהמהירות המקומית מגבירה את השחיקה ומאיצה את השחיקה והקורוזיה המקומית. חתך רוחב.

הסדרי זרימה עוקפים מפנים רק חלק מהזרימה הכוללת דרך המחמם, בעוד שהזרימה הראשית עוקפת. סידורי זרימה עוקפים יכולים להוריד את-מהירות הצדדית של הצינור מבלי להפחית את העברת החום. לחלופין, הזרימה מפוצלת למספר סלילים מקבילים, תוך הפחתת המהירות בכל סליל. עבור התקנות חדשות כאשר צפויות מהירויות המתקרבות ל-2 מ'/שניה, מומלצת הדמיית דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) של תצורת הצנרת הפרטנית.

סיכום מפרט מחמם NaOCl
עבור סלילי חימום העשויים מטיטניום דרגה 12 בשירות נתרן היפוכלוריט, מהירות זרימה מעל 2 m/s גורמת לשיעור קורוזיה -ניתן לזיהוי אשר עולה במהירות עם עליית המהירות, הטמפרטורה, הריכוז והחלקיקים המרחפים. המהירות הבטוחה הגבוהה ביותר עבור 5% NaOCl מטוהר ב-40 מעלות היא 2.5 מ'/שניה, מה שמעניק שיעור אובדן חומר מקובל של 0.1 מ"מ בשנה וחיי צינור של 10-15 שנים עם עובי דופן של 1.65 מ"מ. עבור 10-12% NaOCl או טמפרטורה של מעל 45 מעלות, המהירות הבטוחה המקסימלית מופחתת ל-1.5-1.8 מ"ש. עבור כל שירות הכולל זרמי תהליך לא מסוננים או חלקיקים שוחקים, המהירות חייבת להיות פחות מ-1.5 מ"ש, רצוי פחות מ-1.0 מ"ש. כאשר מציינים סלילי חימום דרגה 12, על המהנדסים לספק לספק את מהירות הזרימה המשוערת (או קצב הזרימה הנפחית וממדי הצינור), את ריכוז הכלור הזמין, את טמפרטורת הפעולה ואומדן של טעינת החלקיקים המרחפים. ניתן להשתמש בידע זה כדי לקבוע את קוטר הצינור, עובי הדופן וסידור הסליל הנכונים כך ששיעורי קורוזיה בשחיקה נמצאים בגבולות המקובלים. עבור מהירויות מתמשכות מעל 2.5 מ' לשנייה, יש לשקול חומרים אחרים כגון טיטניום דרגה 7 (בעל עמידות בפני שחיקה-קורוזיה דומה) או פלדת פחמן מרופדת. דרגה 12 לא תספק את החיים הצפויים בזרימת היפוכלוריט במהירות גבוהה.