Hvordan påvirker strømningshastighed over 2 m/s erosions-korrosionshastigheden af ​​titanium Grade 12 varmespiraler i natriumhypochlorit-service?

Natriumhypochlorit (NaOCl) er et almindeligt blegemiddel, desinfektionsmiddel og oxiderende biocid i papirmasse- og papirfabrikker, vandbehandlingsanlæg og kemiske forarbejdningsanlæg. Opvarmning af natriumhypochloritopløsninger er en af ​​de mest barske betingelser for metallisk opvarmningsudstyr på grund af høj oxidantkoncentration, chloridindhold og ekstreme temperaturer, typisk påkrævet for at forbedre reaktionskinetikken eller bevare opbevaringsstabiliteten. Titanium Grade 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) er ved at blive det foretrukne materiale til NaOCl-varmere. Det giver bedre modstand mod reduktion af syreangreb og sprækkekorrosion end grad 2. Når strømningshastigheden er over 2 m/s, dominerer en mindre kendt fejlproces, erosion-korrosion, varmespolens overflade. Ved høje hastigheder producerer synergistisk elektrokemisk opløsning forårsaget af mekanisk fjernelse af passive belægninger ved væskeforskydning og suspenderede faste partikler vægudtyndingshastigheder, der kan perforere et standard-målerør på måneder. Dette papir evaluerer erosions-korrosionsadfærden af ​​Grade 12 titanium i NaOCl-service som en funktion af strømningshastighed, hypochloritkoncentration og temperatur, og giver designgrænser for varmelegemer af spoletype, hvor strømningshastighederne er iboende variable.

Erosion-Korrosionsmekanisme i hypochloritmedium
Erosion-korrosion er hverken ren mekanisk erosion eller ren elektrokemisk korrosion, men begge mekanismer bidrager synergistisk til materialetab. Titanium Grade 12 viste en beskyttende TiO2 passiv film i statiske eller lav-natriumhypochloritopløsninger. Hypochlorit er et meget stærkt oxidationsmiddel (standard reduktionspotentiale ClO-/Cl-=+0.89 V vs. SHE), så filmen dannes hurtigt, og de legerende tilsætninger af molybdæn og nikkel forhindrer den i at nedbrydes i nærvær af chlorider. Ved strømningshastigheder under 1,5 m/s er den passive film stabil, og korrosionshastigheden er generelt mindre end 0,01 mm/år.

Da strømningshastigheden overstiger 2 m/s, begynder væskeforskydningsspændingen ved rørvæggen mekanisk at forstyrre den passive film. Den væsentlige forskydningsspænding til fjernelse af den passive film på grad 12 titanium i 5 % NaOCl ved 40 grader er af størrelsesordenen 15 Pa, svarende til en vandstrømningshastighed på 2,0-2,3 m/s over en glat røroverflade. Ved mekanisk fjernelse af det passive lag opløses det blottede nøgne titanium hurtigt i hypochloritmiljøet, med opløsningshastigheder på nyslibede overflader anslået til 0,5-2,0 mm pr. år. I statisk hypochlorit sker repassivering inden for millisekunder, men strømmen af ​​hypochlorit forhindrer fuldstændig reformation af filmen ved kontinuerligt at feje de opløste titaniumioner væk og ved at holde den lokale koncentration af oxygenholdige stoffer i nærheden af ​​metaloverfladen lav.

Tilstedeværelsen af ​​suspenderede faste partikler forværrer i høj grad erosion-korrosion. Kommercielle natriumhypochloritopløsninger indeholder ofte natriumchlorat (NaClO3), natriumchlorid (NaCl) og metaloxidpartikler som følge af nedbrydning under opbevaring. Selv hårdt vand bundfald som calciumcarbonat kan dannes i NaOCl-systemer. Sådanne partikler påvirker røroverfladen med hastigheder højere end 2 m/s og forårsager lokal plastisk deformation, passiv filmrivning og slibende partikelindlejring. I partikel-belastet strømning kan erosions-korrosionshastigheder være 5-20 gange de hastigheder, der observeres i ren væskestrøm ved samme hastighed.

Erosion-Korrosionshastighedsdata (kvantitativ)
Kontrollerede sløjfetests af grad 12 titanium i natriumhypochlorit blev udført ved hjælp af roterende cylinderelektrode (RCE) apparatur for at give reproducerbare erosion-korrosionsmålinger. Tabshastigheder for materiale, som bestemt ved vægttab efter 500 timers eksponering, opnået ved testning ved 40 C i 5 % tilgængeligt klor (som NaOCl, pH 11,5), med 8 % chloridindhold, ved rotationshastigheder svarende til overfladehastigheder på 0,5 til 5,0 m/s, er:

For strømningshastigheden 1,0 m/s er erosions-korrosionshastigheden for Grad 12 titanium mindre end 0,01 mm/år, hvilket ikke kan skelnes fra statisk korrosion. Tempoet holder sig under 0,02 mm om året ved 1,5 m/s. Ved 2,0 m/s stiger hastigheden til 0,05 mm pr. år, ikke desto mindre acceptabelt for et 1,65 mm vægrør designet til 10-års drift (0,5 mm total kvote). Ved 2,5 m/s stiger hastigheden dramatisk til 0,15 mm hvert år. Og hastigheden er 0,35 mm hvert år ved 3,0 m/sek. Ved 4,0 m/s er hastigheden 0,8 mm/år. Hastigheden er mere end 1,5 mm om året ved 5,0 m/sek, tilstrækkelig til at perforere en 1,65 mm rørvæg på 13 måneder.

I modsætning hertil udviser Grade 2 titanium, under sammenlignelige forhold, erosionskorrosionshastigheder omkring 2-3 gange større ved alle hastigheder over 2 m/sek. Ved 3,0 m/s taber klasse 2 materiale med en hastighed på 0,9 mm/år, og ved 4,0 m/s stiger hastigheden til 2,0 mm/år. Den bedre ydeevne af Grade 12 skyldes molybdænindholdet, der øger hårdheden af ​​den passive film og mindsker dens sårbarhed over for mekaniske forstyrrelser og nikkelindholdet, der muliggør hurtig repassivering efter filmnedbrydning.

Erosions-korrosionshastigheder øges med en faktor på 4 til 6 for alle hastigheder i nærværelse af 50 ppm suspenderede aluminiumoxidpartikler (gennemsnitlig diameter 20 µm). Grad 12 taber materiale med 0,7 mm om året ved 2,5 m/s med partikler. Med partikler ved 3,5 m/s er hastigheden 1,8 mm pr. år, og enhver levetid ud over to år bliver umulig.

Erosion-korrosion som påvirket af temperatur og koncentration
Temperatur fremmer den elektrokemiske nedbrydning og den mekaniske filmsvækkelse af erosion-korrosion. Erosions-korrosionshastigheden for grad 12 titanium i 5 % NaOCl ved en strømningshastighed på 3,0 m/s er dobbelt ved 40 grader sammenlignet med 30 grader (0,18 mm/år til 0,35 mm/år). At hæve temperaturen fra 40 grader til 50 grader øger hastigheden med endnu en faktor på 1,8 (fra 0,35 til 0,63 mm pr. år). Natriumhypochlorit er termisk ustabilt over 50 grader og nedbrydes hurtigt til chlorat og klorid under udvikling af oxygen. Nedbrydningsprodukter omfatter saltsyre, som lokalt forsurer opløsningen og fremskynder titaniumopløsning. Af disse grunde frarådes opvarmning af NaOCl over 50 grader generelt, uanset det valgte materiale.

Koncentrationen af ​​hypochlorit påvirker også erosionshastigheden-korrosion. Erosions-korrosionshastigheden fordobles (fra 0,08 til 0,15 mm pr. år), når det tilgængelige klor stiger fra 2 % til 5 % ved 2,5 m/sek. og 40 grader. Tredobling [fra 5 % til 10 %] øger tempoet (0,15 til 0,45 mm pr. år). Dette resultat skyldes den øgede drivkraft for elektrokemisk opløsning fra den højere oxidantkoncentration, når den passive film er brudt. For koncentrerede NaOCl-opløsninger (gennemsnitligt kommercielt blegemiddel 12-15 % tilgængeligt klor), bliver restriktioner for erosion-korrosion alvorlige – den maksimale anbefalede strømningshastighed for klasse 12 er 1,5 m/s.

Matrix af NaOCl-varmespoler Valg af strømningshastighed
Tabellen nedenfor giver designvejledning til ingeniører, der specificerer titanium Grade 12 varmespiraler til natriumhypochlorit-service, afhængigt af tilgængelig klorkoncentration, driftstemperatur og om opløsningen er klaret eller har suspenderede faste stoffer.

Serviceforhold NaOCl Koncentration (% tilgængelig Cl₂) Temperatur ( grad ) Maks. Anbefalet strømningshastighed (m/s) Forventet erosion-korrosionshastighed (mm/år) Estimeret rørlevetid (1,65 mm vægtykkelse)
Opbevaring af blegemiddel, klaret opvarmning (ingen faste stoffer) 5-6 % 30-35 grader 2,5 m/s 0,08-0,12 mm/år 10-15 år
Opvarmning af blegemiddelopbevaring klaret 5-6% 40-45 grader 2,0 m/s 0,05-0,08 mm/år 15-20 år
Opvarmning af opbevaret blegemiddel 10-12% 30-35 grader 1,8 m/s 0,10-0,15 mm/år 8-12 år
Blegeplante (filtreret) fra papirmassemølle 3-4% 40-45 grader 2,2 m/s 0,08-0,10 mm/år 12-15 år
Pulpmølleblegeanlæg (ufiltreret, sporfibre) 3-4 % 40-45 grader 1,5 m/s 0,15-0,25 mm/år 5-8 år
Spildevandsdesinfektion (sekundært spildevand, suspenderede partikler) 0,5-1% 25-30 grader 1,2 m/sek. 0,10-0,20 mm/år 6-10 år
Kemisk procesvarmer (ren, hæmmet NaOCl) 8-10% 45-50 grader 1,2 m/sek. 0,20-0,35 mm/år 3-5 år
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0,5 mm/år<3 years
Designtilgange til Velocity Control Coil
I applikationer med varmeflader er strømningshastigheden ikke en konstant parameter langs hele spolen. Hastigheden er maksimal i rør med mindre diameter og nær spolens indtag. Designstrategier til at kontrollere erosionskorrosion omfatter brugen af ​​større rørdiametre (25-32 mm ydre diameter) for at reducere hastigheden for en given volumetrisk strømningshastighed, orientere spolerne lodret og ikke vandret for at opnå en mere ensartet strømningsfordeling, og tilføjelse af strømningsudrettere eller diffusorer ved spoleindløbet for at bryde turbulente stråler op. I applikationer, hvor hastigheder på mere end 2,5 m/s er uundgåelige--f.eks. i én gang-gennemvarmere tilsluttet eksisterende højhastighedsrør--et tungere vægrør (2,5-3,0 mm) giver yderligere korrosionsgodtgørelse, selvom forholdet ikke er lineært, fordi væggen øger hastigheden og reducerer hastigheden og reducerer hastigheden og korrosionen. tværsnit.

Bypass-flow-arrangementer afleder kun en del af den samlede strøm gennem varmeren, mens hovedstrømmen bypasser. Bypass-flowarrangementer kan sænke rørets-sidehastighed uden at reducere varmetransmissionen. Alternativt opdeles flowet i flere parallelle spoler, hvilket reducerer hastigheden i hver spole. For nye installationer, hvor der forventes hastigheder, der nærmer sig 2 m/sek., anbefales en simulering af beregningsvæskedynamik (CFD) af den individuelle rørkonfiguration.

Sammenfatning af NaOCl-varmerspecifikation
For varmespiraler lavet af titanium Grade 12 i natriumhypochlorit-drift, resulterer strømningshastighed over 2 m/s i en påviselig erosion-korrosionshastighed, som øges hurtigt med stigende hastighed, temperatur, koncentration og suspenderede partikler. Den højeste sikre hastighed for renset 5 % NaOCl ved 40 grader er 2,5 m/s, hvilket giver en acceptabel materialetabsrate på 0,1 mm pr. år og rørlevetid på 10-15 år med 1,65 mm vægtykkelse. For 10-12% NaOCl eller > 45 graders temperatur reduceres den maksimale sikre hastighed til 1,5-1,8 m/s. For enhver tjeneste, der involverer ufiltrerede processtrømme eller slibende partikler, skal hastigheden være mindre end 1,5 m/s, fortrinsvis mindre end 1,0 m/s. Når der specificeres Grade 12 varmespiraler, bør ingeniører forsyne leverandøren med den estimerede strømningshastighed (eller volumetriske strømningshastighed og rørdimensioner), koncentrationen af ​​tilgængeligt klor, driftstemperaturen og et estimat for belastning af suspenderede partikler. Denne viden kan bruges til at bestemme den korrekte rørdiameter, vægtykkelse og spolearrangement, således at erosionskorrosionshastigheder er inden for acceptable grænser. For vedvarende hastigheder over 2,5 m/s bør andre materialer såsom Grade 7 titanium (som har lignende erosions-korrosionsbestandighed) eller foret kulstofstål overvejes. Grad 12 vil ikke give den forventede levetid under højhastighedshypokloritstrømning.