Dalam bubur natrium bikarbonat (NaHCO₃) 20% pada suhu 60 derajat, kristal bikarbonat mengendap saat larutan dipanaskan. Kristal ini memiliki kekerasan Mohs 2,5–3,0, sedikit di bawah kekerasan titanium yang 3,5–4,0. Namun, dalam kondisi aliran, kristal menyebabkan keausan abrasif. Laju abrasi sebesar 0,2–0,5 mm per tahun melebihi laju korosi elektrokimia sebesar 0,01–0,05 mm per tahun dengan faktor 10–20, menjadikan abrasi sebagai mekanisme kegagalan yang dominan. Kristal tersebut berdampak pada permukaan titanium, secara mekanis menghilangkan lapisan pasif dan logam di bawahnya.

Mekanisme Abrasi-Kegagalan yang Mendominasi pada Bubur Bikarbonat

Natrium bikarbonat mengkristal seiring dengan kenaikan suhu karena kelarutan terbalik NaHCO₃. Kristalnya bertepi-tajam dan bersudut. Dalam bubur yang mengalir, kristal berdampak pada permukaan pemanas dengan kecepatan 0,5–2 m/s. Setiap dampak menghilangkan sejumlah kecil material melalui-pemotongan dan pembajakan mikro. Tidak adanya lapisan film pasif (yang terus-menerus dihilangkan) berarti bahwa korosi elektrokimia memberikan kontribusi yang kecil terhadap total kerugian material. Laju keausan mengikuti hukum Archard: volume keausan ∝ (beban × jarak geser)/kekerasan.

Abrasi Kuantitatif vs. Korosi Elektrokimia

Pengujian terkontrol dalam bubur NaHCO₃ 20% pada suhu 60 derajat dengan kecepatan aliran 2 m/s selama 500 jam telah menghasilkan hal berikut untuk titanium Kelas 2. Laju korosi elektrokimia saja (dalam larutan stagnan, bebas partikel) adalah 0,01–0,05 mm per tahun, berkontribusi 5–10% terhadap kegagalan total. Tingkat abrasi akibat benturan kristal adalah 0,15–0,35 mm per tahun, menyumbang 60–75% terhadap kegagalan total. Sinergi-korosi erosi (efek gabungan dari abrasi dan korosi) adalah 0,05–0,15 mm per tahun, berkontribusi 15–30% terhadap kegagalan total. Total kerugian material adalah 0,25–0,55 mm per tahun, dengan abrasi sebagai mekanisme dominan.

Pengaruh Konsentrasi Padat dan Kecepatan Aliran Terhadap Laju Abrasi

Laju abrasi meningkat seiring dengan konsentrasi padatan dan kecepatan aliran. Pada 10% padatan dan 1 m3/s, laju abrasi adalah 0,08–0,15 mm per tahun, dan total kehilangan material adalah 0,12–0,22 mm per tahun. Pada 20% padatan dan 1 m3/s, laju abrasi adalah 0,12–0,25 mm per tahun, dan total kerugian adalah 0,18–0,35 mm per tahun. Pada 20% padatan dan 2 m3/s, laju abrasi adalah 0,20–0,40 mm per tahun, dan total kerugian adalah 0,25–0,55 mm per tahun. Pada 30% padatan dan 2 m3/s, laju abrasi adalah 0,30–0,55 mm per tahun, dan total kerugian adalah 0,40–0,70 mm per tahun. Pada 20% padatan dan 3 m3/s, laju abrasi adalah 0,35–0,65 mm per tahun, dan total kerugian adalah 0,45–0,80 mm per tahun.

Panduan Perlindungan Abrasi untuk Pemanas Bubur Bikarbonat

Tabel berikut memberikan rekomendasi untuk melindungi pemanas titanium Kelas 2 dalam bubur natrium bikarbonat 20% pada suhu 60 derajat.

Rekayasa Melampaui Perlindungan Abrasi

Tingkat titanium tidak mempengaruhi ketahanan abrasi secara signifikan; Grade 2, Grade 7, dan Grade 12 memiliki kekerasan yang serupa. Ketebalan dinding memberikan batas keausan; dinding berukuran 2,0 mm dengan abrasi 0,30 mm per tahun dapat bertahan selama 6–7 tahun. Lapisan titanium nitrida (TiN) yang diaplikasikan melalui deposisi uap fisik memiliki kekerasan 2.000 HV dan mengurangi abrasi sebesar 70–80%. Selongsong aus yang dapat diganti terbuat dari baja tahan karat atau keramik yang diperkeras dapat digunakan. Mengurangi kecepatan aliran dengan mengubah kecepatan pompa atau menambahkan sekat akan menurunkan laju abrasi. Hidrosiklon dapat menghilangkan kristal dari bubur sebelum mencapai pemanas.

Membuat Spesifikasi yang Diinformasikan

Untuk pemanas listrik titanium dalam bubur natrium bikarbonat 20% pada suhu 60 derajat, kurangi kecepatan aliran di bawah 1 m/s untuk menjaga laju abrasi di bawah 0,15 mm per tahun. Jika kecepatan aliran yang lebih tinggi tidak dapat dihindari, tentukan lapisan TiN (ketebalan 5 µm) atau selongsong aus yang dapat diganti. Untuk instalasi baru, rancang tangki dengan ruang pemanas terpisah di mana slurry tidak disirkulasi ulang. Selama pengoperasian, pantau pemanas untuk menipis menggunakan pengukuran ketebalan ultrasonik setiap 6 bulan. Jika laju abrasi melebihi 0,2 mm per tahun, pasang pelurus aliran atau kurangi kecepatan pompa. Dengan mengendalikan abrasi sebagai mekanisme kegagalan yang dominan, insinyur ini memperpanjang masa pakai pemanas titanium dalam layanan bubur natrium bikarbonat.