Dalam Pemanas Listrik Titanium yang Digunakan untuk Menyimpan Bubur Natrium Bikarbonat 20% pada suhu 60 derajat, Mengapa Pemanas Gagal Lebih Cepat karena Abrasi dari Kristal Bikarbonat Dibandingkan dengan Korosi Elektrokimia?

Ketika larutan dipanaskan, kristal bikarbonat mengendap. Ini adalah bubur 20% natrium bikarbonat (NaHCO3) pada 60 C. Kekerasan Mohs dari kristal ini adalah 2,5–3,0, yang agak lebih rendah daripada kekerasan titanium, 3,5–4,0. Namun kristal menyebabkan keausan abrasif pada kondisi aliran. Laju abrasi ini adalah 0,2–0,5 mm tahun^-1, yang merupakan urutan besarnya lebih besar daripada laju korosi elektrokimia sebesar 0,01–0,05 mm tahun^-1, dan mekanisme keruntuhan didominasi oleh abrasi. Dampak kristal pada permukaan titanium secara mekanis menghilangkan lapisan pasif dan logam di bawahnya.

Mekanisme kegagalan bubur bikarbonat karena abrasi

Menurunnya kelarutan NaHCO₃ menyebabkan natrium bikarbonat mengkristal seiring dengan meningkatnya suhu. Kristalnya bertepi-tajam dan bersudut. Kecepatan aliran bubur yang mengandung kristal pada permukaan pemanas adalah 0,5–2 m/s. "Setiap tumbukan menghilangkan sejumlah kecil material melalui pemotongan dan pembajakan mikro. Karena tidak ada lapisan pasif (lapisan ini terus menerus dihilangkan), korosi elektrokimia memainkan peran kecil dalam total kerugian material. Laju keausan mengikuti hukum Archard: volume keausan ∝ (beban × jarak geser)/kekerasan.

Korosi elektrokimia vs abrasi kuantitatif

Titanium kelas 2 telah ditunjukkan dalam pengujian terkontrol selama 500 jam dalam bubur NaHCO3 20% pada suhu 60 derajat pada kecepatan aliran 2 m/s untuk menunjukkan hal berikut. Laju korosi elektrokimia saja (dalam cairan bebas partikel-diam) adalah 0,01–0,05 mm per tahun, mewakili 5–10% dari keseluruhan kegagalan. Kegagalan tersebut disebabkan oleh 60–75% dampak kristal dengan laju abrasi 0,15–0,35 mm/tahun. Sinergi korosi erosi (gabungan abrasi dan korosi) adalah 0,05-0,15 mm/tahun dan mewakili 15-30% dari total kegagalan. Total kerugian material adalah 0,25–0,55 mm thn−1, dengan abrasi sebagai proses utamanya.

Pengaruh konsentrasi padatan dan kecepatan aliran terhadap laju abrasi

Konsentrasi padatan dan kecepatan aliran meningkatkan laju abrasi. Laju abrasi pada 10% padatan dan 1 m/s 0,08-0,15 mm per tahun Total kehilangan material 0,12-0,22 mm per tahun Laju abrasi adalah 0,12–0,25 mm/tahun pada 20% padatan dan 1 m/detik, sedangkan total kehilangan adalah 0,18–0,35 mm/tahun. Pada 20% padatan dan 2 m3/detik, laju abrasi adalah 0,20-0,40 mm/tahun dan total kerugian adalah 0,25-0,55 mm/tahun. Pada padatan 30% dan kecepatan 2 m/s laju abrasi 0,30-0,55 mm/tahun dan total kerugian 0,40-0,70 mm/tahun. Pada 20% padatan dan 3 m/s laju abrasi adalah 0,35–0,65 mm/tahun dan total kerugian adalah 0,45–0,80 mm/tahun.

Perlindungan Abrasi untuk Pemanas Lumpur Bikarbonat: Panduan

Rekomendasi untuk menjaga pemanas titanium Kelas 2 dalam bubur natrium bikarbonat 20% pada suhu 60 derajat diberikan dalam tabel di bawah.

Kondisi Bubur Kecepatan Aliran (m/s) Laju Abrasi (mm/tahun) Total Kerugian Material, mm/tahun Harapan Hidup Perlindungan yang Direkomendasikan (dinding 1,5 mm)
Padat Rendah (<10%) <1 0.08–0.15 0.12–0.22None 5-8 Years
Padatan sedang (10–20%)<1 0.12–0.25 0.18–0.35 Coated with TiN 3–5 years
Padatan sedang (10-20%)1–2 0.20–0.40 0.25–0,55 Selongsong Aus, dapat diganti. 2-3 tahun
Padatan tinggi (20–30%) 1–2 0.30–0.55 0.40–0,70 Kurangi kecepatan + pelapisan 1–2 tahun
High solids (>20%) > 2 > 0,35 > 0,45 Proses desain ulang < 1 tahun
Rekayasa Lebih Dari Sekadar Perlindungan Abrasi

Tingkat titanium memiliki pengaruh yang kecil terhadap ketahanannya terhadap abrasi. Tingkat 2, Tingkat 7, dan Tingkat 12 memiliki kekerasan yang setara. Ketebalan dinding menawarkan tunjangan keausan. Dinding 2,0 mm dengan abrasi 0,30 mm per tahun akan bertahan 6-7 tahun. Lapisan titanium nitrida (TiN) yang diendapkan melalui pengendapan uap fisik memiliki kekerasan 2.000 HV dan menurunkan abrasi sebesar 70 hingga 80 persen. Ini bisa berupa selongsong aus pengganti, dan terbuat dari baja tahan karat atau keramik yang diperkeras. Dengan mengubah kecepatan pompa atau menambahkan baffle, kecepatan aliran dapat dikurangi, sehingga menurunkan laju abrasi. Hidrosiklon dapat menghilangkan kristal dari bubur sebelum diumpankan ke pemanas.

Memberikan Spesifikasi yang Diinformasikan

Untuk pemanas listrik titanium dalam bubur natrium bikarbonat 20% pada suhu 60 derajat, kecepatan aliran harus dibatasi kurang dari 1 m/s untuk menjaga laju abrasi di bawah 0,15 mm/tahun. Apabila kecepatan aliran yang lebih besar tidak dapat dihindari, tentukan lapisan TiN (ketebalan 5 µm) atau selongsong aus yang dapat diganti. Untuk instalasi baru, tangki harus memiliki ruang pemanas terpisah tanpa resirkulasi bubur. Pantau pemanas untuk penipisan dengan pengukuran ketebalan ultrasonik setiap 6 bulan dalam pengoperasian. Jika laju erosi lebih dari 0,2 mm per tahun, tambahkan pelurus aliran atau kurangi kecepatan pompa. Abrasi dikendalikan oleh insinyur sebagai mekanisme kegagalan utama untuk meningkatkan masa pakai pemanas titanium dalam layanan bubur natrium bikarbonat.