Πώς η ταχύτητα ροής άνω των 2 m/s επηρεάζει τον ρυθμό διάβρωσης-Ρυθμός διάβρωσης των πηνίων θέρμανσης τιτανίου βαθμού 12 στην υπηρεσία υποχλωριώδους νατρίου;

Το υποχλωριώδες νάτριο (NaOCl) είναι ένα κοινό λευκαντικό, απολυμαντικό και οξειδωτικό βιοκτόνο σε εργοστάσια χαρτοπολτού και χαρτιού, σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας νερού και σε μονάδες χημικής επεξεργασίας. Η θέρμανση των διαλυμάτων υποχλωριώδους νατρίου είναι μία από τις πιο σκληρές συνθήκες για μεταλλικό εξοπλισμό θέρμανσης λόγω της υψηλής συγκέντρωσης οξειδωτικών, της περιεκτικότητας σε χλωριούχα και των ακραίων θερμοκρασιών, που απαιτούνται συνήθως για την ενίσχυση της κινητικής αντίδρασης ή τη διατήρηση της σταθερότητας αποθήκευσης. Το τιτάνιο βαθμού 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) γίνεται το υλικό επιλογής για τους θερμαντήρες NaOCl. Προσφέρει καλύτερη αντίσταση στη μείωση της όξινης προσβολής και της διάβρωσης με ρωγμές από τον Βαθμού 2. Όταν η ταχύτητα ροής είναι πάνω από 2 m/s, ωστόσο, μια λιγότερο γνωστή διαδικασία αστοχίας, η διάβρωση{12}}, κυριαρχεί στην επιφάνεια του πηνίου θέρμανσης. Σε υψηλές ταχύτητες, η συνεργική ηλεκτροχημική διάλυση που προκαλείται από τη μηχανική αφαίρεση παθητικών επικαλύψεων με υγρή διάτμηση και αιωρούμενα στερεά σωματίδια παράγει ρυθμούς λέπτυνσης τοιχώματος που μπορεί να διατρυπήσει έναν τυπικό{14}}σωλήνα μετρητή σε μήνες. Αυτό το έγγραφο αξιολογεί τη συμπεριφορά διάβρωσης-διάβρωσης του τιτανίου Βαθμού 12 στην υπηρεσία NaOCl ως συνάρτηση της ταχύτητας ροής, της συγκέντρωσης υποχλωριώδους και της θερμοκρασίας και παρέχει όρια σχεδιασμού για θερμαντήρες τύπου πηνίου όπου οι ταχύτητες ροής είναι εγγενώς μεταβλητές.

Διάβρωση-Μηχανισμός διάβρωσης σε υποχλωριώδες μέσο
Η διάβρωση-διάβρωση δεν είναι ούτε καθαρή μηχανική διάβρωση ούτε καθαρή ηλεκτροχημική διάβρωση, ωστόσο και οι δύο μηχανισμοί συμβάλλουν συνεργικά στην απώλεια υλικού. Το Titanium Grade 12 παρουσίασε ένα προστατευτικό παθητικό φιλμ TiO2 σε στατικά ή χαμηλής{4}}ροής διαλύματα υποχλωριώδους νατρίου. Το υποχλωριώδες είναι ένα πολύ ισχυρό οξειδωτικό (τυπικό δυναμικό μείωσης ClO-/Cl-=+0.89 V έναντι SHE) έτσι η μεμβράνη σχηματίζεται γρήγορα και οι προσθήκες κράματος μολυβδαινίου και νικελίου την εμποδίζουν να διασπαστεί παρουσία χλωριδίων. Σε ταχύτητες ροής κάτω από 1,5 m/s, το παθητικό φιλμ είναι σταθερό και οι ρυθμοί διάβρωσης είναι γενικά μικρότεροι από 0,01 mm/έτος.

Καθώς η ταχύτητα ροής υπερβαίνει τα 2 m/s, η τάση διάτμησης του ρευστού στο τοίχωμα του σωλήνα αρχίζει να διαταράσσει μηχανικά το παθητικό φιλμ. Η βασική διατμητική τάση για την αφαίρεση του παθητικού φιλμ στο τιτάνιο βαθμού 12 σε 5% NaOCl στους 40 βαθμούς είναι της τάξης των 15 Pa, που αντιστοιχεί σε ταχύτητα ροής νερού 2,0-2,3 m/s σε μια λεία επιφάνεια σωλήνα. Με τη μηχανική αφαίρεση του παθητικού στρώματος, το εκτεθειμένο γυμνό τιτάνιο διαλύεται γρήγορα στο υποχλωριώδες περιβάλλον, με ρυθμούς διάλυσης σε φρεσκοτριβές επιφάνειες που υπολογίζονται σε 0,5-2,0 mm ετησίως. Στο στατικό υποχλωριώδες, η επαναπαθητικοποίηση λαμβάνει χώρα μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, αλλά η ροή του υποχλωριώδους αποτρέπει την πλήρη αναμόρφωση της μεμβράνης απομακρύνοντας συνεχώς τα διαλυμένα ιόντα τιτανίου και διατηρώντας χαμηλή την τοπική συγκέντρωση των ειδών που περιέχουν οξυγόνο κοντά στη μεταλλική επιφάνεια.

Η παρουσία αιωρούμενων στερεών σωματιδίων επιδεινώνει πολύ τη διάβρωση-διάβρωση. Τα εμπορικά διαλύματα υποχλωριώδους νατρίου περιέχουν συχνά χλωριούχο νάτριο (NaClO3), χλωριούχο νάτριο (NaCl) και σωματίδια μεταλλικού οξειδίου ως αποτέλεσμα της διάσπασης κατά την αποθήκευση. Ακόμη και τα ιζήματα του σκληρού νερού όπως το ανθρακικό ασβέστιο μπορούν να σχηματιστούν στα συστήματα NaOCl. Τέτοια σωματίδια προσκρούουν στην επιφάνεια του σωλήνα με ταχύτητες μεγαλύτερες από 2 m/s και προκαλούν τοπική πλαστική παραμόρφωση, παθητικό σχίσιμο μεμβράνης και ενσωμάτωση λειαντικών σωματιδίων. Σε σωματιδιακή-φορτωμένη ροή, οι ρυθμοί διάβρωσης-μπορεί να είναι 5-20 φορές μεγαλύτεροι από τους ρυθμούς που παρατηρούνται στη ροή καθαρού ρευστού με την ίδια ταχύτητα.

Διάβρωση-Δεδομένα ρυθμού διάβρωσης (ποσοτικά)
Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ελεγχόμενου βρόχου τιτανίου βαθμού 12 σε υποχλωριώδες νάτριο χρησιμοποιώντας συσκευή ηλεκτροδίου περιστρεφόμενου κυλίνδρου (RCE) για να δώσουν αναπαραγώγιμες μετρήσεις διάβρωσης-. Τα ποσοστά απώλειας υλικού, όπως προσδιορίζονται από την απώλεια βάρους μετά από έκθεση 500 ωρών, που λαμβάνονται με δοκιμή στους 40 C σε 5% διαθέσιμο χλώριο (ως NaOCl, pH 11,5), με περιεκτικότητα 8% σε χλωρίδιο, σε ταχύτητες περιστροφής που αντιστοιχούν σε επιφανειακές ταχύτητες 0,5 έως 5,0 m/s, είναι:

Για ταχύτητα ροής 1,0 m/s, ο ρυθμός διάβρωσης-του τιτανίου Βαθμού 12 είναι μικρότερος από 0,01 mm/έτος, κάτι που δεν διακρίνεται από τη στατική διάβρωση. Ο ρυθμός παραμένει κάτω από 0,02 mm ετησίως με 1,5 m/s. Στα 2,0 m/s ο ρυθμός ανεβαίνει στα 0,05 mm ετησίως, ωστόσο είναι αποδεκτός για έναν επιτοίχιο σωλήνα 1,65 mm που έχει σχεδιαστεί για 10ετή λειτουργία (συνολικό όριο 0,5 mm). Στα 2,5 m/s ο ρυθμός αυξάνεται δραματικά στα 0,15 mm κάθε χρόνο. Και ο ρυθμός είναι 0,35 mm κάθε χρόνο με 3,0 m/sec. Στα 4,0 m/s ο ρυθμός είναι 0,8 mm/έτος. Ο ρυθμός είναι περισσότερο από 1,5 mm ετησίως με 5,0 m/sec επαρκής για τη διάτρηση ενός τοιχώματος σωλήνα 1,65 mm σε 13 μήνες.

Αντίθετα, το τιτάνιο βαθμού 2, υπό συγκρίσιμες συνθήκες, παρουσιάζει ρυθμούς διάβρωσης περίπου 2-3 ​​φορές μεγαλύτερους σε όλες τις ταχύτητες άνω των 2 m/sec. Στα 3,0 m/s, ο βαθμός 2 χάνει υλικό με ρυθμό 0,9 mm/έτος και στα 4,0 m/s, ο ρυθμός αυξάνεται στα 2,0 mm/έτος. Η καλύτερη απόδοση του βαθμού 12 οφείλεται στην περιεκτικότητα σε μολυβδαίνιο που αυξάνει τη σκληρότητα της παθητικής μεμβράνης και μειώνει την τρωτότητά της σε μηχανικές διαταραχές και την περιεκτικότητα σε νικέλιο που επιτρέπει τη γρήγορη επαναπαθητοποίηση μετά την αποικοδόμηση της μεμβράνης.

Οι ρυθμοί διάβρωσης-αυξάνονται κατά συντελεστή 4 έως 6 για όλες τις ταχύτητες παρουσία 50 ppm αιωρούμενων σωματιδίων αλουμίνας (μέση διάμετρος 20 μm). Ο βαθμός 12 χάνει υλικό με 0,7 mm ετησίως στα 2,5 m/s με σωματίδια. Με σωματίδια στα 3,5 m/s ο ρυθμός είναι 1,8 mm ετησίως και οποιαδήποτε διάρκεια ζωής πέραν των δύο ετών καθίσταται ανέφικτη.

Διάβρωση-διάβρωση όπως επηρεάζεται από τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση
Η θερμοκρασία προάγει την ηλεκτροχημική αποσύνθεση και τη μηχανική εξασθένιση της διάβρωσης-του φιλμ. Ο ρυθμός διάβρωσης-για το τιτάνιο Βαθμού 12 σε 5% NaOCl με ταχύτητα ροής 3,0 m/s είναι διπλάσιος στους 40 βαθμούς σε σύγκριση με τους 30 βαθμούς (0,18 mm/έτος έως 0,35 mm/έτος). Η αύξηση της θερμοκρασίας από 40 βαθμούς σε 50 βαθμούς αυξάνει τον ρυθμό κατά έναν άλλο συντελεστή 1,8 (από 0,35 σε 0,63 mm ετησίως). Το υποχλωριώδες νάτριο είναι θερμικά ασταθές πέραν των 50 μοιρών και αποσυντίθεται γρήγορα σε χλωριούχο και χλωριούχο με την έκλυση οξυγόνου. Τα προϊόντα αποσύνθεσης περιλαμβάνουν υδροχλωρικό οξύ που τοπικά οξινίζει το διάλυμα και επιταχύνει τη διάλυση του τιτανίου. Για αυτούς τους λόγους, η θέρμανση NaOCl πάνω από 50 βαθμούς γενικά αποθαρρύνεται, ανεξάρτητα από το επιλεγμένο υλικό.

Η συγκέντρωση του υποχλωριώδους άλατος επηρεάζει επίσης τον ρυθμό διάβρωσης-διάβρωσης. Ο ρυθμός διάβρωσης-διπλασιάζεται (από 0,08 σε 0,15 mm ετησίως) όταν το διαθέσιμο χλώριο αυξάνεται από 2% σε 5% στα 2,5 m/sec και στους 40 βαθμούς . Ο τριπλασιασμός [από 5% σε 10%] αυξάνει τον ρυθμό (0,15 έως 0,45 mm ετησίως). Αυτό το αποτέλεσμα οφείλεται στην αυξημένη κινητήρια δύναμη για ηλεκτροχημική διάλυση από την υψηλότερη συγκέντρωση οξειδωτικού όταν το παθητικό φιλμ διαρρηχθεί. Για συμπυκνωμένα διαλύματα NaOCl (μέση εμπορική λευκαντική 12-15% διαθέσιμο χλώριο), οι περιορισμοί για τη διάβρωση-διάβρωση γίνονται σοβαροί – η μέγιστη συνιστώμενη ταχύτητα ροής για τον βαθμό 12 είναι 1,5 m/s.

Επιλογή ταχύτητας ροής μήτρας πηνίων θέρμανσης NaOCl
Ο παρακάτω πίνακας προσφέρει οδηγίες σχεδιασμού για μηχανικούς που καθορίζουν πηνία θέρμανσης τιτανίου Βαθμού 12 για την υπηρεσία υποχλωριώδους νατρίου, ανάλογα με τη διαθέσιμη συγκέντρωση χλωρίου, τη θερμοκρασία λειτουργίας και το εάν το διάλυμα είναι διαυγασμένο ή έχει αιωρούμενα στερεά.

Κατάσταση σέρβις Συγκέντρωση NaOCl (% διαθεσιμότητα Cl2) Θερμοκρασία (βαθμός) Μέγ. Συνιστώμενη ταχύτητα ροής (m/s) Αναμενόμενη διάβρωση-ταχύτητα διάβρωσης (mm/έτος) Εκτίμηση διάρκειας ζωής σωλήνα (1,65 mm Πάχος τοιχώματος)
Αποθήκευση λευκαντικού, διαυγασμένη θέρμανση (χωρίς στερεά) 5-6 % 30-35 μοίρες 2,5 m/s 0,08-0,12 mm/έτος 10-15 χρόνια
Θέρμανση αποθήκευσης λευκαντικού καθαρισμένο 5-6% 40-45 μοίρες 2,0 m/s 0,05-0,08 mm/έτος 15-20 χρόνια
Θέρμανση αποθηκευμένης χλωρίνης 10-12% 30-35 μοίρες 1,8 m/s 0,10-0,15 mm/έτος 8-12 χρόνια
Φυτό χλωρίνης (φιλτραρισμένο) από μύλο χαρτοπολτού 3-4% 40-45 μοίρες 2,2 m/s 0,08-0,10 mm/έτος 12-15 χρόνια
Φυτό λευκαντικού μύλου χαρτοπολτού (αφιλτράριστο, ίχνη ινών) 3-4 % 40-45 μοίρες 1,5 m/s 0,15-0,25 mm/έτος 5-8 χρόνια
Απολύμανση λυμάτων (δευτερεύοντα λύματα, αιωρούμενα σωματίδια) 0,5-1% 25-30 βαθμοί 1,2 m/sec 0,10-0,20 mm/έτος 6-10 χρόνια
Θερμαντήρας χημικής διεργασίας (καθαρό, παρεμποδισμένο NaOCl) 8-10% 45-50 μοίρες 1,2 m/sec 0,20-0,35 mm/έτος 3-5 χρόνια
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0,5 mm/έτος<3 years
Προσεγγίσεις σχεδίασης για πηνίο ελέγχου ταχύτητας
Σε εφαρμογές με πηνία θέρμανσης, η ταχύτητα ροής δεν είναι σταθερή παράμετρος σε όλο το μήκος του πηνίου. Η ταχύτητα είναι μέγιστη σε σωλήνες μικρότερης διαμέτρου και κοντά στην εισαγωγή του πηνίου. Οι στρατηγικές σχεδιασμού για τον έλεγχο της διάβρωσης της διάβρωσης περιλαμβάνουν τη χρήση μεγαλύτερων διαμέτρων σωλήνων (εξωτερική διάμετρος 25-32 mm) για τη μείωση της ταχύτητας για δεδομένο ογκομετρικό ρυθμό ροής, τον προσανατολισμό των πηνίων κατακόρυφα και όχι οριζόντια για να επιτευχθεί πιο ομοιόμορφη κατανομή ροής και την προσθήκη ισιωτικών ή διαχυτών ροής στην είσοδο του πηνίου για τη διάσπαση. Σε εφαρμογές όπου ταχύτητες μεγαλύτερες από 2,5 m/s είναι αναπόφευκτες--για παράδειγμα, μια φορά-μέσω θερμαντικών σωμάτων συνδεδεμένων με υπάρχουσες σωληνώσεις υψηλής ταχύτητας -- ένας βαρύτερος σωλήνας τοίχου (2,5-3,0 mm) παρέχει πρόσθετο δικαίωμα διάβρωσης, αν και η σχέση δεν είναι γραμμική επειδή η διάβρωση των τοιχωμάτων αυξάνει και προκαλεί τοπικές ταχύτητες διάβρωσης σε μειωμένη διατομή.

Οι ρυθμίσεις ροής παράκαμψης εκτρέπουν μόνο ένα μέρος της συνολικής ροής μέσω του θερμαντήρα, ενώ η κύρια ροή παρακάμπτει. Οι ρυθμίσεις ροής παράκαμψης μπορούν να μειώσουν την πλευρική ταχύτητα του σωλήνα-χωρίς να μειώσουν τη μετάδοση θερμότητας. Εναλλακτικά, η ροή χωρίζεται σε πολλαπλά παράλληλα πηνία, μειώνοντας την ταχύτητα σε κάθε πηνίο. Για νέες εγκαταστάσεις όταν αναμένονται ταχύτητες που πλησιάζουν τα 2 m/sec, συνιστάται η προσομοίωση υπολογιστικής δυναμικής ρευστών (CFD) της μεμονωμένης διαμόρφωσης σωληνώσεων.

Περίληψη των προδιαγραφών θερμαντήρα NaOCl
Για πηνία θέρμανσης από τιτάνιο βαθμού 12 σε υπηρεσία υποχλωριώδους νατρίου, η ταχύτητα ροής άνω των 2 m/s έχει ως αποτέλεσμα ανιχνεύσιμο ρυθμό διάβρωσης-που αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της ταχύτητας, της θερμοκρασίας, της συγκέντρωσης και των αιωρούμενων σωματιδίων. Η υψηλότερη ασφαλής ταχύτητα για καθαρισμένο 5% NaOCl στους 40 βαθμούς είναι 2,5 m/s, δίνοντας αποδεκτό ρυθμό απώλειας υλικού 0,1 mm ετησίως και διάρκεια ζωής σωλήνα 10-15 έτη με πάχος τοιχώματος 1,65 mm. Για θερμοκρασία NaOCl 10-12% ή > 45 βαθμούς, η μέγιστη ασφαλής ταχύτητα μειώνεται στα 1,5-1,8 m/s. Για οποιαδήποτε υπηρεσία που περιλαμβάνει αφιλτράριστα ρεύματα διεργασίας ή λειαντικά σωματίδια, η ταχύτητα πρέπει να είναι μικρότερη από 1,5 m/s, κατά προτίμηση μικρότερη από 1,0 m/s. Κατά τον καθορισμό των πηνίων θέρμανσης Βαθμού 12, οι μηχανικοί θα πρέπει να παρέχουν στον προμηθευτή την εκτιμώμενη ταχύτητα ροής (ή ογκομετρικό ρυθμό ροής και διαστάσεις σωλήνα), τη συγκέντρωση του διαθέσιμου χλωρίου, τη θερμοκρασία λειτουργίας και μια εκτίμηση της φόρτωσης αιωρούμενων σωματιδίων. Αυτή η γνώση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της σωστής διαμέτρου σωλήνα, πάχους τοιχώματος και διάταξης πηνίου έτσι ώστε οι ρυθμοί διάβρωσης να είναι εντός αποδεκτών ορίων. Για σταθερές ταχύτητες πάνω από 2,5 m/s, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη άλλα υλικά όπως το τιτάνιο 7 βαθμού (το οποίο έχει παρόμοια αντοχή στη διάβρωση) ή ο επενδεδυμένος ανθρακούχο χάλυβας. Ο βαθμός 12 δεν θα παρέχει την αναμενόμενη διάρκεια ζωής υπό υψηλή ταχύτητα ροής υποχλωριώδους.