بالنسبة لغمد التيتانيوم، يتم تسخين ملاط ​​من صبغة ثاني أكسيد التيتانيوم في حمض الكبريتيك المخفف (درجة الحموضة 2.5، 80 درجة)، ما هي سرعة التدفق الحرجة لمنع التآكل - عند الانحناءات؟

المقايضة الأساسية في تصميم سخان التيتانيوم للملاط الحمضي الكاشط
يتم تصنيع صبغة TiO2 عن طريق هضم خام الإلمنيت في حمض الكبريتيك المركز، يليه التخفيف والتحلل المائي وتكلس المحلول. تتضمن المراحل المتوسطة تسخين ملاط ​​من صبغة TiO2 في حمض الكبريتيك المخفف (الرقم الهيدروجيني 2.5، 80 درجة). يحتوي الملاط على 20-40% بالوزن من الجسيمات الصلبة من TiO2 بقطر متوسط ​​يبلغ 0.2-0.5 ميكرون وهو مادة كاشطة إلى حد ما. يوفر التأثير المشترك للإلكتروليت الحمضي واصطدام الجسيمات بيئة تآكل-مع معدلات فقد مواد أعلى من مجموع التآكل النقي والتآكل النقي. تعتبر مناطق الانحناء لأنابيب تسخين التيتانيوم على شكل حرف U أو السربنتين هي الأجزاء الأكثر أهمية في أنابيب التسخين، حيث يتغير مسار التدفق وتضطر الجزيئات إلى التأثير على الجدار الخارجي (الإضافات) مع زيادة السرعة والزاوية. سمك الجدار يعطي سماحية للتآكل السلبي ولكن متغير التصميم المهم لتجنب الفشل المبكر هو سرعة تدفق الملاط بعد المدفأة. يتم تجاوز سرعة العتبة ويحدث التغيير من التآكل المعتدل والموحد إلى التآكل والتآكل الموضعي الشديد الذي يمكن أن يخترق جدار تيتانيوم بقطر 2.0 ملم في أقل من ستة أشهر. تحت هذه السرعة العتبية يكون طلاء ثاني أكسيد التيتانيوم السلبي مستقرًا وسمك الجدار الذي يتراوح من 1.0 إلى 1.2 ملم له عمر خدمة يصل إلى عدة سنوات.

التأثير على السلامة الميكانيكية: التأثير التآزري للتآكل والتآكل عند الانحناءات
معدل التآكل السلبي للتيتانيوم من الدرجة 2 في حامض الكبريتيك المخفف عند درجة حموضة 2.5 تحت ظروف التدفق الثابت أو المنخفض هو 0.02-0.05 مم/سنة. إن جزيئات الملاط TiO 2 مطابقة كيميائيًا للفيلم السلبي؛ وبالتالي، هناك تأثيرات كلفانية ضئيلة. ومع ذلك، فإن المكون المتآكل يدمر طبقة الأكسيد الواقية بشكل أسرع مما يمكنه إعادة تنشيطه. نحو أقصى الانحناء، تميل زوايا تأثير الجسيمات إلى أن تكون في نطاق 30-60 درجة إلى السطح، وهي المنطقة التي تزيد من فقدان المواد إلى أقصى حد-للمواد القابلة للسحب مثل التيتانيوم. معدل التآكل والتآكل هو قانون قوة تجريبي، w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn، مع vv سرعة الجسيمات المحلية عند الانحناء و nn بشكل عام 2.5-3.0 للتيتانيوم في الملاط الحمضي. يشير الاعتماد الكبير على السرعة إلى زيادة بمعدل 6-8 أضعاف في معدل التآكل لمضاعفة معدل التدفق. معدل التآكل غير مهم بالنسبة لقطعة الأنبوب المستقيم ذات التدفق الموازي للسطح حيث أن الجزيئات تنزلق بدلاً من الاصطدام. والفرق الرئيسي هو أنه بسبب تسارع التدفق حول المنعطف، فإن السرعة المحلية عند الانحناء الإضافي قد تكون أعلى بمقدار 1.5 إلى 2.5 مرة من سرعة الملاط السائبة. وبالتالي، يجب أن تكون سرعة التدفق بالجملة في الأنبوب أو الخزان أقل من عتبة تتوافق مع سرعة الانحناء الإضافية التي تبلغ حوالي 3-4 م/ثانية حيث يكون معدل التآكل غير مقبول.

تأثير الأداء الحراري: درجة الحرارة-تفاعل السرعة
يؤثر التدرج الحراري من خلال غلاف التيتانيوم على آلية التآكل-من خلال التأثير على استقرار الفيلم السلبي. ويعني انخفاض سمك الجدار انخفاض درجة حرارة السطح لكثافة طاقة معينة، وبالتالي تحسين المتانة الميكانيكية للفيلم السلبي. عند درجة حرارة الكتلة 80 درجة، يكون للجدار 1.0 مم الذي يعمل عند 2.5 وات/سم² سطح خارجي يبلغ حوالي 92 درجة؛ جدار 1.5 ملم يصل إلى حوالي 98 درجة. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة التي تزيد عن 90 درجة إلى ظهور طبقة سلبية أكثر هشاشة على التيتانيوم وتكون أكثر عرضة للتشظي عند تأثير الجسيمات. توضح اختبارات التآكل المعملية-باستخدام ملاط ​​TiO2 (40% بالوزن، ودرجة الحموضة 2.5، و80 درجة) أن عتبة السرعة الحرجة لجدار بسمك 1.0 مم هي 2.8 م/ث (مجمّع) ولكن بالنسبة لجدار بسمك 1.5 مم، يتم تخفيضها إلى 2.2 م/ث بسبب تشظي الأكسيد الأكثر سخونة وهشاشة. ومن ثم، فإن الجدار الأكثر سمكًا لا يؤدي فقط إلى تآكل المزيد من المواد، بل يقلل أيضًا من نافذة سرعة التشغيل الآمنة، مما قد يؤدي إلى خسارة في إنتاجية الإنتاج.

تجميع المقايضة-: مصفوفة السرعة الحرجة وسمك الجدار
توضح المصفوفة التالية سرعة تدفق الملاط السائب الحرجة لتسخين غمد التيتانيوم ملاط TiO2 في حمض الكبريتيك المخفف (الأس الهيدروجيني 2.5، 80 درجة، 30٪ بالوزن من المواد الصلبة، 0.3 ميكرومتر متوسط حجم الجسيمات)، والتي يتم تعريفها على أنها السرعة التي يساوي فيها معدل التآكل -0.3 مم سنويًا (ما يعادل عمر 3 سنوات لـ جدار 1.0 ملم مع عامل الأمان).

نصف قطر انحناء الأنبوب (نسبة R/D) سماكة جدار التيتانيوم السرعة الظاهرية الحرجة (م/ث) للتآكل - يقتصر التآكل على<0.3 mm/year Expected Life at Critical Velocity Core Engineering Rationale
R=3× OD (انحناء محكم) 1.0 مم 1.8 م/ث 2.5 – 3 سنوات يؤدي الانحناء المحكم إلى زيادة السرعة المحلية إلى 3.5-4.0 م/ث عند الإضافات. يصبح الجدار الرقيق أكثر برودة، مما يزيد من تحمل السرعة بشكل هامشي. لا يقترح للاستخدام المستمر.
OD=3 x R (انحناء محكم) 1.5 مم 1.4 م/ث 2 - 2.5 سنة الجدار السميك أكثر سخونة مما يقلل من مرونة الفيلم السلبي. تظل السرعة المحلية عالية. تجنب الانحناءات الضيقة، بغض النظر عن سمك الجدار.
R=5× OD (انحناء كبير) 1.0 مم 2.8 م/ث 4 - 5 سنوات سرعة Extrados ≈ 1.3× حجم كبير؛ الانحناء السخي يقلل من التسارع المحلي. جدار أرق يحافظ على برودة السطح. أفضل التحرير والسرد للتصاميم الجديدة.
R=5× OD (انحناء كبير) 1.2 مم – 1.4 مم 2.5 م/ثانية 5 – 6 سنوات جدار أكثر سماكة، يسمح بتحمل التآكل دون ارتفاع كبير في درجة الحرارة. مناسب تمامًا للتطبيقات الحساسة ذات الرحلات غير المتكررة في السرعة.
R=8× OD (انحناء كبير للغاية) أو أنبوب مستقيم مع دوارات دوارة 1.0 مم – 1.2 مم > 3.5 م/ث > 8 سنوات يزيل تسارع الانحناء. التآكل-التآكل ذو أهمية ثانوية. يحتاج سمك الجدار ببساطة إلى تلبية معايير الضغط والتآكل.
الهندسة حول المنعطف: أدوات تنعيم التدفق وتوجيه السخان
عندما تجعل بنية الخزان نصف قطر الانحناء المحكم (R < 4 x OD) أمرًا لا مفر منه، يمكن لتقنيتين بديلتين تقليل التآكل - دون التضحية بسرعة الإنتاج. يتم تقليل عامل تسارع السرعة المحلية من 2.0 إلى 1.2 عن طريق تطبيق أدوات تقويم التدفق أو تدوير الريش في اتجاه المنبع من منحنى السخان لإعادة توجيه الملاط ليتبع محيط الأنبوب. تُظهر محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية أن السرعة الإضافية لانحناء OD 3 × مع ريشة تنخفض من 4.0 م/ث إلى 2.2 م/ث بسرعة كبيرة تبلغ 2.0 م/ث، وهي أقل من العتبة الحرجة. ثانيًا، يجب توجيه السخان عموديًا مع تدفق الملاط لأعلى بحيث يتم تحريك الجزيئات بعد الانحناء دون الاستقرار أو التأثير في زوايا عالية. ينبغي تجنب التوجه الأفقي مع الانحناءات في المستوى الأفقي حيث تدفع الجاذبية الجزيئات نحو الإضافات مما يزيد من تردد التأثير. أخيرًا، يعطي الجدار السميك إلى حد ما (1.4-1.6 مم) مع نصف قطر انحناء كبير (R=6× OD) تصميمًا حذرًا لظروف التدفق غير المؤكدة أو المتغيرة، بينما يتم تقليل الكفاءة الحرارية.

الاستنتاج: تأثير التحكم في السرعة وهندسة الانحناء على سمك الجدار
تبلغ سرعة التدفق المطلوبة لمنع التآكل-التآكل عند الانحناءات في غمد التيتانيوم الذي يسخن ملاط ​​TiO 2 في حمض الكبريتيك المخفف عند درجة حموضة 2.5 و80 درجة تقريبًا 2.5–3.0 م/ثانية لسخان جيد البناء بـ R=5× OD وسمك جدار يتراوح بين 1.0–1.2 مم. وأي أسرع من ذلك سيكون فقدان المواد أكبر بشكل كبير. سيتم اختراق الجدران السميكة خلال أشهر. التآكل-التآكل تحت هذا الحد لا يكاد يذكر، ويتمتع غلاف التيتانيوم بسمك 1.0 مم بعمر خدمة يصل إلى 4-5 سنوات. نصيحة التصميم الرئيسية هي اختيار نصف قطر انحناء واسع (R أكبر من أو يساوي 5× OD) وسرعة الملاط السائبة أقل من 2.5 م/ثانية، ثم اختيار سمك الجدار بناءً على بدل التآكل ومتطلبات المعالجة الميكانيكية (عادة 1.2 مم). إن زيادة سمك الجدار دون التحكم في السرعة أو شكل الانحناء هو شعور زائف بالأمان. جدار سماكته 2.0 مم بسرعة 3.5 م/ث يفشل بشكل أسرع من جدار سماكته 1.0 مم بسرعة 2.0 م/ث. عند تحديد سخانات للملاط الحمضي الكاشط، قم بتزويد الشركة المصنعة بالسرعة المقدرة للملاط وتوزيع حجم الجسيمات، واطلب تأكيد نصف قطر الانحناء. الاعتبار الهندسي الرئيسي هو إدارة السرعة، وليس الحد الأقصى لسمك الجدار.