سرعت جریان بالای 2 متر بر ثانیه چگونه بر فرسایش-میزان خوردگی کویل های گرمایش تیتانیوم درجه 12 در سرویس هیپوکلریت سدیم تأثیر می گذارد؟

هیپوکلریت سدیم (NaOCl) یک عامل سفید کننده رایج، ضدعفونی کننده و بیوسید اکسید کننده در کارخانه های خمیر و کاغذ، تأسیسات تصفیه آب و کارخانه های فرآوری شیمیایی است. گرم کردن محلول های هیپوکلریت سدیم یکی از سخت ترین شرایط برای تجهیزات گرمایش فلزی به دلیل غلظت اکسیدان بالا، محتوای کلرید و دماهای شدید است که معمولاً برای افزایش سینتیک واکنش یا حفظ پایداری ذخیره سازی لازم است. تیتانیوم درجه 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) به ماده انتخابی برای بخاری‌های NaOCl تبدیل شده است. مقاومت بهتری نسبت به کاهش حمله اسیدی و خوردگی شکاف نسبت به درجه 2 دارد. با این حال، وقتی سرعت جریان بالای 2 متر بر ثانیه است، یک فرآیند شکست کمتر شناخته شده، فرسایش{12}}روی سطح کویل گرمایشی غالب است. در سرعت‌های بالا، انحلال الکتروشیمیایی هم‌افزایی ناشی از حذف مکانیکی پوشش‌های غیرفعال توسط برش سیال و ذرات جامد معلق، نرخ نازک شدن دیوار را ایجاد می‌کند که می‌تواند یک لوله سنج استاندارد را در چند ماه سوراخ کند. این مقاله رفتار فرسایشی-خوردگی تیتانیوم درجه 12 را در سرویس NaOCl به عنوان تابعی از سرعت جریان، غلظت هیپوکلریت و دما ارزیابی می‌کند و محدودیت‌های طراحی را برای بخاری‌های نوع سیم پیچی که در آن سرعت‌های جریان ذاتاً متغیر است، ارائه می‌کند.

فرسایش{0}}مکانیسم خوردگی در محیط هیپوکلریتی
فرسایش{0}}خوردگی نه فرسایش مکانیکی خالص است و نه خوردگی الکتروشیمیایی خالص، اما هر دو مکانیسم به طور هم افزایی در از دست دادن مواد نقش دارند. تیتانیوم درجه 12 یک فیلم غیرفعال TiO2 محافظ در محلول های هیپوکلریت سدیم ساکن یا جریان کم{4} نشان داد. هیپوکلریت یک اکسید کننده بسیار قوی است (پتانسیل کاهش استاندارد ClO-/Cl-=+0.89 V در مقابل SHE) بنابراین فیلم سریع تشکیل می‌شود و افزودن‌های آلیاژی مولیبدن و نیکل از تجزیه آن در حضور کلریدها جلوگیری می‌کند. در سرعت‌های جریان کمتر از 1.5 متر بر ثانیه، فیلم غیرفعال پایدار است و نرخ خوردگی معمولاً کمتر از 0.01 میلی‌متر در سال است.

از آنجایی که سرعت جریان از 2 متر بر ثانیه فراتر می رود، تنش برشی سیال در دیواره لوله شروع به اختلال مکانیکی در فیلم غیرفعال می کند. تنش برشی ضروری برای حذف لایه غیرفعال بر روی تیتانیوم درجه 12 در 5٪ NaOCl در دمای 40 درجه از مرتبه 15 Pa است که مربوط به سرعت جریان آب 2.0{10}}2.3 متر بر ثانیه در سطح لوله صاف است. پس از حذف مکانیکی لایه غیرفعال، تیتانیوم لخت در معرض به سرعت در محیط هیپوکلریت حل می شود، با نرخ انحلال در سطوح تازه ساییده شده 0.5-2.0 میلی متر در سال تخمین زده می شود. در هیپوکلریت استاتیک، غیرفعال‌سازی مجدد در عرض میلی‌ثانیه اتفاق می‌افتد، اما جریان هیپوکلریت با پاک کردن مداوم یون‌های تیتانیوم محلول و با پایین نگه داشتن غلظت محلی گونه‌های حاوی اکسیژن در مجاورت سطح فلز، از اصلاح کامل فیلم جلوگیری می‌کند.

وجود ذرات جامد معلق به شدت فرسایش-خوردگی را تشدید می‌کند. محلول های هیپوکلریت سدیم تجاری اغلب حاوی کلرات سدیم (NaClO3)، کلرید سدیم (NaCl) و ذرات اکسید فلزی در نتیجه تجزیه در طول ذخیره سازی هستند. حتی رسوبات آب سخت مانند کربنات کلسیم می تواند در سیستم های NaOCl تشکیل شود. چنین ذرات روی سطح لوله با سرعت‌های بالاتر از 2 متر بر ثانیه تأثیر می‌گذارند و باعث تغییر شکل پلاستیک موضعی، پارگی فیلم غیرفعال و جاسازی ذرات ساینده می‌شوند. در جریان بار ذرات، فرسایش-سرعت خوردگی می‌تواند 20-5 برابر نرخ‌های مشاهده‌شده در جریان سیال تمیز با همان سرعت باشد.

فرسایش{0}}داده‌های نرخ خوردگی (کمی)
آزمایشات حلقه کنترل شده تیتانیوم درجه 12 در هیپوکلریت سدیم با استفاده از دستگاه الکترود سیلندر دوار (RCE) برای اندازه گیری فرسایش قابل تکرار{1}}ساختن خوردگی انجام شد. نرخ از دست دادن مواد، همانطور که با کاهش وزن پس از قرار گرفتن در معرض 500 ساعت، با آزمایش در دمای 40 درجه سانتیگراد در 5٪ کلر موجود (به عنوان NaOCl، pH 11.5)، با محتوای کلرید 8٪، در سرعت های چرخشی مربوط به سرعت های سطحی 0.5 تا 5.0 متر بر ثانیه تعیین می شود، به دست می آید:

برای سرعت جریان 1.0 متر بر ثانیه، نرخ خوردگی{1}}تیتانیوم درجه 12 کمتر از 0.01 میلی متر در سال است که از خوردگی استاتیکی قابل تشخیص نیست. سرعت زیر 0.02 میلی متر در سال با 1.5 متر بر ثانیه باقی می ماند. با سرعت 2.0 متر بر ثانیه، نرخ به 0.05 میلی متر در سال می رسد، با این وجود برای لوله دیواری 1.65 میلی متری که برای کارکرد 10 ساله طراحی شده است قابل قبول است (0.5 میلی متر مجموع مجاز). در 2.5 متر بر ثانیه این میزان به طور چشمگیری به 0.15 میلی متر در هر سال افزایش می یابد. و نرخ هر سال 0.35 میلی متر در 3.0 متر بر ثانیه است. در 4.0 متر بر ثانیه نرخ 0.8 میلی متر در سال است. سرعت بیش از 1.5 میلی متر در سال با سرعت 5.0 متر بر ثانیه برای سوراخ کردن دیواره لوله 1.65 میلی متر در 13 ماه کافی است.

در مقابل، تیتانیوم درجه 2، تحت شرایط مشابه، نرخ خوردگی فرسایش را در حدود 2-3 برابر در تمام سرعت‌های بیش از 2 متر بر ثانیه نشان می‌دهد. در 3.0 متر بر ثانیه، درجه 2 مواد را با سرعت 0.9 میلی متر در سال از دست می دهد و در 4.0 متر بر ثانیه، این میزان به 2.0 میلی متر در سال افزایش می یابد. عملکرد بهتر درجه 12 به دلیل محتوای مولیبدن است که سختی فیلم غیرفعال را افزایش می‌دهد و آسیب‌پذیری آن را در برابر اختلالات مکانیکی کاهش می‌دهد و محتوای نیکل آن را امکان‌پذیر می‌سازد که پس از تخریب فیلم، دوباره فعال‌سازی مجدد سریع انجام شود.

نرخ خوردگی فرسایش با ضریب 4 تا 6 برای همه سرعت ها در حضور 50 ppm ذرات آلومینا معلق (قطر متوسط ​​20 میکرومتر) افزایش می یابد. درجه 12 مواد را با 0.7 میلی متر در سال با سرعت 2.5 متر بر ثانیه با ذرات از دست می دهد. با ذرات با سرعت 3.5 متر بر ثانیه، نرخ 1.8 میلی متر در سال است و هر گونه عمر مفید بیش از دو سال غیرممکن می شود.

فرسایش{0}}خوردگی تحت تأثیر دما و غلظت
دما باعث فروپاشی الکتروشیمیایی و تضعیف لایه مکانیکی فرسایش-خوردگی می‌شود. نرخ خوردگی برای تیتانیوم درجه 12 در 5٪ NaOCl با سرعت جریان 3.0 متر بر ثانیه در 40 درجه در مقایسه با 30 درجه (0.18 میلی متر در سال تا 0.35 میلی متر در سال) دو برابر است. افزایش دما از 40 درجه به 50 درجه باعث افزایش ضریب دیگری 1.8 (از 0.35 به 0.63 میلی متر در سال) می شود. هیپوکلریت سدیم بیش از 50 درجه از نظر حرارتی ناپایدار است و با تکامل اکسیژن به سرعت به کلرات و کلرید تجزیه می شود. محصولات تجزیه شامل اسید هیدروکلریک است که محلول را اسیدی می کند و انحلال تیتانیوم را تسریع می کند. به این دلایل، حرارت دادن NaOCl بالاتر از 50 درجه، صرف نظر از ماده انتخابی، به طور کلی ممنوع است.

غلظت هیپوکلریت نیز بر سرعت فرسایش-خوردگی تأثیر می گذارد. زمانی که کلر موجود از 2% به 5% در 2.5 متر بر ثانیه و 40 درجه افزایش یابد، نرخ خوردگی دو برابر می شود (از 0.08 تا 0.15 میلی متر در سال). سه برابر کردن [از 5٪ به 10٪] سرعت را افزایش می دهد (0.15 تا 0.45 میلی متر در سال). این نتیجه به دلیل افزایش نیروی محرکه برای انحلال الکتروشیمیایی از غلظت اکسیدان بالاتر پس از شکسته شدن فیلم غیرفعال است. برای محلول‌های غلیظ NaOCl (متوسط ​​سفیدکننده تجاری 12-15٪ کلر موجود)، محدودیت‌ها برای فرسایش - خوردگی شدید می‌شوند - حداکثر سرعت جریان توصیه‌شده برای درجه 12 1.5 متر بر ثانیه است.

ماتریس انتخاب سرعت جریان سیم پیچ های گرمایش NaOCl
جدول زیر راهنمای طراحی را برای مهندسانی ارائه می دهد که کویل های گرمایش درجه 12 تیتانیوم را برای سرویس هیپوکلریت سدیم، بسته به غلظت کلر موجود، دمای عملیاتی، و اینکه محلول شفاف است یا دارای مواد جامد معلق است، ارائه می دهد.

وضعیت سرویس غلظت NaOCl (% سود Cl2) دما (درجه) حداکثر. سرعت جریان پیشنهادی (m/s) فرسایش پیش‌بینی‌شده-نرخ خوردگی (میلی‌متر/سال) تخمین عمر لوله (1.65 میلی‌متر ضخامت دیواره)
ذخیره سازی سفیدکننده، گرمایش شفاف (بدون مواد جامد) 5-6 % 30-35 درجه 2.5 متر بر ثانیه 0.08-0.12 میلی متر در سال 10-15 سال
گرمایش ذخیره سفیدکننده شفاف شده 5-6% 40-45 درجه 2.0 m/s 0.05-0.08 میلی متر در سال 15-20 سال
گرمایش سفیدکننده ذخیره شده 10-12% 30-35 درجه 1.8 m/s 0.10-0.15 میلی متر در سال 8-12 سال
گیاه سفید کننده (فیلتر شده) از آسیاب خمیر کاغذ 3-4% 40-45 درجه 2.2 متر بر ثانیه 0.08-0.10 میلی متر در سال 12-15 سال
کارخانه سفید کننده آسیاب خمیر کاغذ (فیلتر نشده، الیاف کمیاب) 3-4 % 40-45 درجه 1.5 متر بر ثانیه 0.15-0.25 میلی متر در سال 5-8 سال
ضد عفونی فاضلاب (پساب ثانویه، ذرات معلق) 0.5-1% 25-30 درجه 1.2 m/s 0.10-0.20 میلی متر در سال 6-10 سال
بخاری فرآیند شیمیایی (تمیز، NaOCl مهار شده) 8-10% 45-50 درجه 1.2 متر بر ثانیه 0.20-0.35 میلی متر در سال 3-5 سال
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0.5 میلی متر در سال<3 years
رویکردهای طراحی برای سیم پیچ کنترل سرعت
در کاربردهای کویل گرمایشی، سرعت جریان یک پارامتر ثابت در تمام طول سیم پیچ نیست. حداکثر سرعت در لوله های با قطر کمتر و نزدیک ورودی سیم پیچ است. استراتژی‌های طراحی برای کنترل خوردگی فرسایش شامل استفاده از قطر لوله بزرگ‌تر (قطر خارجی 25-32 میلی‌متر) برای کاهش سرعت برای یک نرخ جریان حجمی معین، جهت‌گیری سیم پیچ‌ها به صورت عمودی نه افقی برای دستیابی به توزیع جریان یکنواخت‌تر، و افزودن صاف‌کننده‌ها یا پخش‌کننده‌های جریان در ورودی گلوله سیم پیچ برای شکستن است. در برنامه‌هایی که سرعت‌های بیشتر از 2.5 متر بر ثانیه اجتناب‌ناپذیر است--به‌عنوان مثال، یک بار-از طریق بخاری‌هایی که به لوله‌کشی با سرعت بالا متصل می‌شوند - یک لوله دیواری سنگین‌تر (2.5-3.0 میلی‌متر) امکان خوردگی اضافی را فراهم می‌کند، اگرچه این رابطه خطی نیست زیرا سرعت دیواره‌ها به دلیل فرسایش محلی افزایش می‌یابد. کاهش سطح مقطع

ترتیبات جریان بای پس تنها بخشی از جریان کل را از طریق بخاری منحرف می کند، در حالی که جریان اصلی دور می زند. ترتیبات جریان بای پس می تواند سرعت لوله را بدون کاهش انتقال حرارت کاهش دهد. از طرف دیگر، جریان به چند سیم پیچ موازی تقسیم می شود و سرعت هر سیم پیچ را کاهش می دهد. برای تاسیسات جدید که سرعت‌های نزدیک به 2 متر بر ثانیه پیش‌بینی می‌شود، شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) پیکربندی لوله‌کشی فردی توصیه می‌شود.

خلاصه مشخصات بخاری NaOCl
برای کویل های حرارتی ساخته شده از تیتانیوم درجه 12 در سرویس هیپوکلریت سدیم، سرعت جریان بالاتر از 2 متر بر ثانیه منجر به نرخ خوردگی قابل تشخیص{2}} فرسایش می شود که با افزایش سرعت، دما، غلظت و ذرات معلق به سرعت افزایش می یابد. بالاترین سرعت مطمئن برای 5% NaOCl خالص شده در دمای 40 درجه 2.5 متر بر ثانیه است که نرخ اتلاف مواد قابل قبول 0.1 میلی متر در سال و عمر لوله 10-15 سال با ضخامت دیواره 1.65 میلی متر را ارائه می دهد. برای دمای 10-12% NaOCl یا دمای > 45 درجه، حداکثر سرعت مطمئن به 1.5-1.8 متر بر ثانیه کاهش می یابد. برای هر سرویسی که شامل جریان های فرآیند فیلتر نشده یا ذرات ساینده باشد، سرعت باید کمتر از 1.5 متر بر ثانیه، ترجیحاً کمتر از 1.0 متر بر ثانیه باشد. هنگام تعیین کویل های گرمایش درجه 12، مهندسان باید سرعت جریان تخمینی (یا سرعت جریان حجمی و ابعاد لوله)، غلظت کلر موجود، دمای عملیاتی و تخمین بارگذاری ذرات معلق را به تامین کننده ارائه دهند. از این دانش می توان برای تعیین قطر لوله، ضخامت دیواره و آرایش سیم پیچ صحیح استفاده کرد، به طوری که نرخ خوردگی فرسایش در محدوده قابل قبول باشد. برای سرعت های پایدار بالاتر از 2.5 متر بر ثانیه، مواد دیگری مانند تیتانیوم درجه 7 (که مقاومت در برابر فرسایش - خوردگی مشابهی دارد) یا فولاد کربنی اندود شده باید در نظر گرفته شود. درجه 12 عمر مورد انتظار را تحت جریان هیپوکلریت با سرعت بالا فراهم نمی کند.