I en 20 % natriumbikarbonat (NaHCO3) oppslemming ved 60 grader, utfelles bikarbonatkrystaller når løsningen varmes opp. Disse krystallene har en Mohs-hardhet på 2,5–3,0, som er litt under titans hardhet på 3,5–4,0. Men under strømningsforhold forårsaker krystallene slitasje. Slitasjehastigheten på 0,2–0,5 mm per år overstiger den elektrokjemiske korrosjonshastigheten på 0,01–0,05 mm per år med en faktor på 10–20, noe som gjør slitasje til den dominerende feilmekanismen. Krystallene påvirker titanoverflaten, og fjerner mekanisk den passive filmen og det underliggende metallet.

Mechanism of Abrasion-Dominert svikt i bikarbonatslurries

Natriumbikarbonat krystalliserer når temperaturen stiger på grunn av den omvendte løseligheten til NaHC03. Krystallene er skarpe-kantede og kantete. I en flytende slurry påvirker krystallene varmeoverflaten med hastigheter på 0,5–2 m/s. Hver støt fjerner et lite volum av materiale gjennom mikro-skjæring og pløying. Fraværet av en passiv film (den fjernes kontinuerlig) betyr at elektrokjemisk korrosjon bidrar lite til det totale materialtapet. Slitasjehastigheten følger Archards lov: slitasjevolum ∝ (last × glideavstand)/hardhet.

Kvantitativ slitasje vs. elektrokjemisk korrosjon

Kontrollert testing i 20 % NaHCO₃ slurry ved 60 grader med en strømningshastighet på 2 m/s over 500 timer har etablert følgende for grad 2 titan. Den elektrokjemiske korrosjonshastigheten alene (i stillestående, partikkel-fri løsning) er 0,01–0,05 mm per år, noe som bidrar med 5–10 % til total feil. Slitasjeraten fra krystallstøt er 0,15–0,35 mm per år, noe som bidrar med 60–75 % til total feil. Erosjons--korrosjonssynergien (den kombinerte effekten av slitasje og korrosjon) er 0,05–0,15 mm per år, og bidrar med 15–30 % til total feil. Det totale materialtapet er 0,25–0,55 mm per år, med slitasje som dominerende mekanisme.

Påvirkning av faststoffkonsentrasjon og strømningshastighet på slitasjehastighet

Slitasjehastigheten øker med faststoffkonsentrasjon og strømningshastighet. Ved 10 % faststoff og 1 m/s er slitehastigheten 0,08–0,15 mm per år, og det totale materialtapet er 0,12–0,22 mm per år. Ved 20 % faststoff og 1 m/s er slitehastigheten 0,12–0,25 mm per år, og det totale tapet er 0,18–0,35 mm per år. Ved 20 % faststoff og 2 m/s er slitehastigheten 0,20–0,40 mm per år, og det totale tapet er 0,25–0,55 mm per år. Ved 30 % faststoff og 2 m/s er slitehastigheten 0,30–0,55 mm per år, og det totale tapet er 0,40–0,70 mm per år. Ved 20 % faststoff og 3 m/s er slitehastigheten 0,35–0,65 mm per år, og det totale tapet er 0,45–0,80 mm per år.

Slitasjebeskyttelsesveiledning for bikarbonatslamvarmere

Følgende tabell gir anbefalinger for beskyttelse av grad 2 titanvarmere i 20 % natriumbikarbonat-oppslemming ved 60 grader.

Engineering Beyond Abrasion Protection

Titankvaliteten påvirker ikke slitestyrken nevneverdig; Grad 2, Grade 7 og Grade 12 har lignende hardhet. Veggtykkelse gir en slitasjegodtgjørelse; en 2,0 mm vegg med 0,30 mm per år slitasje varer 6–7 år. Et titannitrid (TiN) belegg påført ved fysisk dampavsetning har en hardhet på 2000 HV og reduserer slitasje med 70–80 %. En utskiftbar slitehylse laget av herdet rustfritt stål eller keramikk kan brukes. Å redusere strømningshastigheten ved å endre pumpehastigheten eller legge til ledeplater reduserer slitasjehastigheten. En hydrosyklon kan fjerne krystaller fra slurryen før den når varmeren.

Lage en informert spesifikasjon

For en elektrisk varmeovn i titan i 20 % natriumbikarbonat-oppslemming ved 60 grader, reduser strømningshastigheten under 1 m/s for å holde slitehastigheten under 0,15 mm per år. Hvis høyere strømningshastigheter er uunngåelig, spesifiser et TiN-belegg (5 µm tykkelse) eller en utskiftbar slitehylse. For nye installasjoner designes tanken med et separat varmekammer der slurryen ikke resirkuleres. Under drift, overvåk varmeren for tynning ved hjelp av ultralydtykkelsesmåling hver 6. måned. Hvis slitasjehastigheten overstiger 0,2 mm per år, installer en strømningsretter eller reduser pumpehastigheten. Ved å kontrollere slitasje som den dominerende feilmekanismen, forlenger ingeniøren levetiden til titanvarmere i natriumbikarbonat-oppslemming.