Kāds ir titāna apvalks, kas silda titāna dioksīda pigmenta vircu atšķaidītā sērskābē (pH 2,5, 80 grādi), kāds ir kritiskais plūsmas ātrums, lai novērstu eroziju{2}}koroziju līkumos?

Galvenais kompromiss titāna sildītāja konstrukcijā abrazīvām skābām suspensēm
TiO2 pigmentu iegūst, sagremot ilmenīta rūdu koncentrētā sērskābē, kam seko šķīduma atšķaidīšana, hidrolīze un kalcinēšana. Starpfāzēs ietilpst TiO2 pigmenta suspensijas karsēšana atšķaidītā sērskābē (pH 2,5, 80 grādi). Suspensija satur 20-40 masas % cieto TiO2 daļiņu, kuru vidējais diametrs ir 0,2-0,5 mikroni, un tā ir nedaudz abrazīva. Skābā elektrolīta un daļiņu iedarbības kopējā ietekme nodrošina erozijas{15}}korozijas vidi ar materiālu zudumu ātrumu, kas pārsniedz tīras erozijas un tīras korozijas summu. U-veida vai serpentīna titāna sildcauruļu līkumu zonas ir viskritiskākās apkures cauruļu daļas, kur mainās plūsmas ceļš un daļiņas ar palielinātu ātrumu un leņķi ir spiestas ietriekties ārējā sienā (extrados). Sienas biezums nodrošina pasīvās korozijas pielaidi, bet svarīgs konstrukcijas mainīgais lielums, lai izvairītos no priekšlaicīgas atteices, ir vircas plūsmas ātrums gar sildītāju. Ātruma slieksnis tiek pārsniegts, un notiek izmaiņas no viegla, vienmērīga nodiluma līdz smagai, lokalizētai erozijai-korozijai, kas var pārraut 2,0 mm titāna sienu mazāk nekā sešos mēnešos. Zem šī ātruma sliekšņa pasīvais titāna dioksīda pārklājums ir stabils, un sieniņu biezums 1,0–1,2 mm kalpo vairākus gadus.

Ietekme uz mehānisko integritāti: erozijas un korozijas sinerģiskā ietekme līkumos
2. pakāpes titāna pasīvās korozijas ātrums atšķaidītā sērskābē pie pH 2,5 statiskā vai zemas plūsmas apstākļos ir 0,02-0,05 mm/gadā. TiO 2 vircas daļiņas ir ķīmiski identiskas pasīvajai plēvei; tādējādi galvaniskie efekti ir niecīgi. Tomēr erozijas komponents iznīcina aizsargājošo oksīda slāni ātrāk, nekā tas var atkārtoties. Virzībā uz lieces pārsniegumiem daļiņu trieciena leņķi mēdz būt 30-60 grādu diapazonā pret virsmu, kas palielina materiāla zudumus trausliem-kaļamiem materiāliem, piemēram, titānam. Erozijas-korozijas ātrums ir empīrisks jaudas likums, w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn, ar vv lokālo daļiņu ātrumu līkumā un nn parasti ir 2,5–3,0 titānam skābās suspensijā. Būtiskā ātruma atkarība liecina par nodiluma ātruma palielināšanos 6-8 reizes, lai dubultotu plūsmas ātrumu. Erozijas ātrums ir nenozīmīgs taisnam caurules segmentam, kura plūsma ir paralēla virsmai, jo daļiņas slīd, nevis triecas. Galvenā atšķirība ir tāda, ka, pateicoties plūsmas paātrinājumam ap līkumu, lokālais ātrums līkumā var būt 1,5–2,5 reizes lielāks nekā masas vircas ātrums. Tādējādi tilpuma plūsmas ātrumam caurulē vai tvertnē ir jābūt zem sliekšņa, kas atbilst liekšanas ātrumam aptuveni 3–4 m/sek, kur erozijas-korozijas ātrums ir nepieņemams.

Siltuma veiktspējas efekts: temperatūras{0}}ātruma mijiedarbība
Termiskais gradients caur titāna apvalku ietekmē erozijas{0}}korozijas mehānismu, ietekmējot pasīvās plēves stabilitāti. Mazāks sienas biezums nozīmē zemāku virsmas temperatūru noteiktam jaudas blīvumam un tādējādi uzlabotu pasīvās plēves mehānisko izturību. 80 grādu tilpuma temperatūrā 1,0 mm sienai, kas strādā ar 2,5 W/cm², ārējā virsma ir aptuveni 92 grādi; 1,5 mm siena sasniedz aptuveni 98 grādus. Augstāka temperatūra virs 90 grādiem rada trauslāku pasīvo plēvi uz titāna, un tā ir jutīgāka pret izšļakstīšanos daļiņu trieciena rezultātā. Laboratorijas erozijas -korozijas testi, izmantojot TiO2 suspensijas (40 masas%, pH 2,5, 80 grādi), parāda, ka kritiskā ātruma slieksnis 1,0 mm sienai ir 2,8 m/s (masas), bet 1,5 mm sienai tas tiek pazemināts līdz 2,2 m/s, jo trauslums ir karstāks. Tādējādi biezāka siena ne tikai rada vairāk materiāla, kas nodilst, bet arī samazina drošā darbības ātruma logu, kas var izraisīt ražošanas caurlaidības zudumu.

Sintēze par tirdzniecību{0}}: kritiskā ātruma un sienas biezuma matrica
Sekojošā matrica parāda kritisko masas suspensijas plūsmas ātrumu titāna apvalkam, kas karsē TiO2 suspensiju atšķaidītā sērskābē (pH 2,5, 80 grādi, 30 mas.% cietās daļiņas, 0,3 µm vidējais daļiņu izmērs), kas definēts kā ātrums, pie kura veidojas erozijas ekvivalents {0. mm. gadā}. 3 gadu kalpošanas laiks 1,0 mm sienai ar drošības koeficientu).

Caurules liekuma rādiuss (R/D attiecība) Titāna sienas biezums, kritiskais tilpuma ātrums (m/s) erozijai-korozija ierobežota līdz<0.3 mm/year Expected Life at Critical Velocity Core Engineering Rationale
R=3× OD (stingrs līkums) 1,0 mm 1,8 m/s 2,5–3 gadi Stingrs līkums paātrina lokālo ātrumu līdz 3,5-4,0 m/s ekstrados. Plānā siena ir vēsāka, nedaudz palielinot ātruma pielaidi. Nav ieteicams nepārtrauktai lietošanai.
OD=3 x R (stingrs līkums) 1,5 mm 1,4 m/s 2–2,5 gadi Biezāka siena ir karstāka, samazinot pasīvās plēves noturību. Vietējais ātrums saglabājas liels Izvairieties no ciešiem līkumiem neatkarīgi no sienas biezuma.
R=5× OD (dāsns līkums) 1,0 mm 2,8 m/s 4–5 gadi Extrados ātrums ≈ 1,3 × masīvs; dāsnais līkums samazina vietējo paātrinājumu. Plānāka siena saglabā virsmu vēsāku. Labākā kombinācija jauniem dizainiem.
R=5× OD (dāsns līkums) 1,2 mm – 1,4 mm 2,5 m/sek 5 – 6 gadi Mazāk biezāka siena, pieļauj erozijas toleranci bez pārāk lielas temperatūras paaugstināšanās. Labi piemērots jutīgiem lietojumiem ar retiem ātruma novirzēm.
R=8× OD (īpaši liels līkums) vai taisna caurule ar pagrieziena lāpstiņām 1,0 mm – 1,2 mm > 3,5 m/s > 8 gadi Noņem lieces paātrinājumu. Erozija-korozija ir mazsvarīga. Sienas biezumam vienkārši jāatbilst spiediena un korozijas kritērijiem.
Inženierzinātnes visā līkumā: plūsmas taisnotāji un sildītāja orientācija
Ja tvertnes arhitektūra padara stingru līkuma rādiusu (R < 4 x OD) neizbēgamu, divi alternatīvi paņēmieni var samazināt eroziju{1}}koroziju, nezaudējot ražošanas ātrumu. Vietējais ātruma paātrinājuma koeficients tiek samazināts no 2,0 līdz 1,2, izmantojot plūsmas taisnotājus vai pagriežot lāpstiņas pirms sildītāja līkuma, lai pārorientētu vircu, lai sekotu caurules kontūrai. Skaitļošanas šķidruma dinamikas simulācija parāda, ka 3 × OD līkumā ar lāpstiņu ekstrados ātrums samazinās no 4,0 m/s līdz 2,2 m/s pie tilpuma ātruma 2,0 m/s, kas ir zem kritiskā sliekšņa. Otrkārt, sildītājs ir jāorientē vertikāli, vircai plūstot uz augšu, lai daļiņas tiktu pārvietotas garām līkumam bez nosēšanās vai trieciena lielos leņķos. Jāizvairās no horizontālas orientācijas ar līkumiem horizontālā plaknē, jo gravitācija spiež daļiņas uz ekstrados, palielinot trieciena biežumu. Visbeidzot, nedaudz biezāka siena (1,4–1,6 mm) ar ievērojamu lieces rādiusu (R=6× OD) nodrošina piesardzīgu dizainu nenoteiktiem vai mainīgiem plūsmas apstākļiem, vienlaikus samazinot termisko efektivitāti.

Secinājums: Ātruma kontroles un lieces ģeometrijas ietekme uz sienas biezumu
Nepieciešamais plūsmas ātrums, lai novērstu eroziju-koroziju titāna apvalka līkumos, uzkarsējot TiO 2 suspensiju atšķaidītā sērskābē pie pH 2,5 un 80 grādiem, ir aptuveni 2,5–3,0 m/sek. tilpuma ātrums labi uzbūvētam sildītājam ar R {{6}.1}.0 mm biezumu. Jebkurš ātrāk nekā šis un materiāla zudums būtu eksponenciāli lielāks. Biezās sienas tiks cauri mēnešiem. Erozija{12}}korozija zem šīs robežas ir niecīga, un 1,0 mm bieza titāna apvalka kalpošanas laiks ir 4–5 gadi. Galvenais projektēšanas ieteikums ir izvēlēties lielu lieces rādiusu (R lielāks vai vienāds ar 5 × OD) un masas suspensijas ātrumu zem 2,5 m/s, pēc tam izvēlēties sienas biezumu, pamatojoties uz korozijas pielaidi un mehāniskās apstrādes prasībām (parasti 1,2 mm). Sienas biezuma palielināšana, nekontrolējot ātrumu vai līkuma formu, ir nepatiesa drošības sajūta. 2,0 mm siena ar ātrumu 3,5 m/s sabojājas ātrāk nekā 1,0 mm siena ar ātrumu 2,0 m/s. Norādot sildītājus abrazīvām skābām suspensēm, norādiet ražotājam aptuveno vircas ātrumu un daļiņu izmēra sadalījumu, kā arī lūdziet apstiprinājumu par lieces rādiusu. Galvenais inženiertehniskais apsvērums ir ātruma vadība, nevis maksimālais sienas biezums.