Jos muurahaishappo/vesi-seoksia lämmitetään sekoittuneissa olosuhteissa, miten putken halkaisija-seinän{1}}suhde muuttaa eroosion-korroosionkestävyyttä?

Muurahaishapon (HCOOH) vesiseokset luovat pelkistävän ympäristön, joka haastaa titaanin passiivisen kalvon stabiilisuuden. Muurahaishappo ei aiheuta hapettavia olosuhteita spontaanille repassivaatiolle, kuten typpihappo tai merivesi. Muurahaishappopitoisuuksille 10-90 % korotetuissa lämpötiloissa (70-100 astetta) titaani käyttää ohutta, suhteellisen epästabiilia oksidilevyä. Kun sekoitus saadaan aikaan mekaanisella sekoittamisella, pumpun kierrätyksellä tai kaasuruiskutuksella, kemiallisen vaikutuksen ja mekaanisen nesteleikkauksen yhteisvaikutukset aiheuttavat eroosio{7}}korroosiotilan. Titaanipinnan vaste tähän kaksoishyökkäykseen riippuu voimakkaasti putken halkaisijan ja seinämän suhteesta (D/t). Pienempi D/t (paksumpi seinämä suhteessa halkaisijaan) muuttaa pintajännityksen tilaa ja virtauksen hydrodynamiikkaa putken nesteen rajapinnassa, mikä vaikuttaa suoraan materiaalin poistonopeuteen.

Eroosio-Korroosiomekanismit sekoitetussa muurahaishapossa

Eroosio-korroosio eroaa puhtaasta korroosiosta tai puhtaasta eroosiosta. Muurahaishapossa korroosiokomponentti hyökkää jatkuvasti passiivikalvoa vastaan, kun taas sekoituskomponentti poistaa mekaanisesti osittain suojaavia pintakerroksia. Leikkausjännitys on verrannollinen paikallisen nopeusgradientin neliöön ja johtuu nesteen nopeudesta putken pinnalla. Tietyllä virtausnopeudella paikalliset nopeudet ja leikkausjännitykset ovat suurempia halkaisijaltaan pienemmissä putkissa (ja siten pienemmät D/t-suhteet samalla seinämän paksuudella). Hallitseva vaikutus johtuu kuitenkin pintajännityksestä. Vasteena sekoitukseen putket värähtelevät niiden jäykkyyteen liittyvillä taajuuksilla. Putken taivutusjäykkyys on verrannollinen hitausmomenttiin, joka vaihtelee muodossa (D4 - (D-2t)4). Pienempi D/t-suhde tuottaa jäykemmän putken, joka kestää tärinän aiheuttamaa pintarasitusta. Pinnalla pienentynyt jännitys tarkoittaa, että passiivinen kalvo rikkoutuu harvemmin mekaanisesti ja siten korroosioosa voi olla hitaampaa ja tasaisempaa nopean ja kalvoa rikkovan sijaan.

Kvantitatiivinen korrelaatio materiaalinpoistonopeuden ja D/t-suhteen välillä

Ohjattu silmukkatestaus 50 % muurahaishapolla 85 asteessa, virtausnopeus 2 m/s ja sekoitus Rushton-turbiinista (kärkinopeus 3 m/s) on tuottanut seuraavat suhteet luokan 2 titaanille:

8 D/t-suhde (esim. . 20mm halkaisija, 2,5 mm seinä): 0,08 mm/v materiaalin poistonopeus. Suhteellisen suuri seinämän ja halkaisijan suhde johtaa jäykkään putkeen, jonka luonnollinen taajuus on yli 200 Hz, mikä on paljon suurempi kuin tavalliset sekoittimen taajuudet (20-50 Hz). Minimaalinen elokuvan tärinähäiriö. Eroosio-korroosio jakautuu tasaisesti ja on ennakoitavissa.

D/t-suhde 15 (esim. . 24 mm halkaisija, 1,6 mm seinä): Materiaalin poistonopeus: 0,22 mm/v. Putken jäykkyys pieneni noin 60 % verrattuna arvoon D/t=8. Sekoittimen siiven läpikulkutaajuuksilla esiintyy resonanssivärähtelyä. Paikallinen kalvon katkeaminen putken kannattimissa ja keskivälissä{8}} parantaa poistonopeutta kertoimella 2,7.

D/t-suhde 25 (esim. . 25 mm halkaisija, 1,0 mm seinä): 0,55 mm/vuosi materiaalin poistonopeus. Putken jäykkyys laski ~85 % verrattuna D/t=8. Liiallinen tärinä aiheuttaa hankauksia kosketuskohdissa. Poistonopeus tulee hyvin paikalliseksi, kun hyökkäys lisääntyy kohdissa, joilla on suurempi siirtymäamplitudi.

D/t-suhde 33 (esim. . 33 mm halkaisija, 1,0 mm seinä): Materiaalin poistonopeus > 1,0 mm/vuosi. Putkeen kohdistuu virtaus{6}}värähtelyä sekoittimen rakenteesta riippumatta. Ei suositella käytettäväksi kiihtyneen muurahaisen kanssa.

Halkaisijan ja seinän välisen suhteen valintaopas sovelluksen mukaan

Päätöskehys parhaan D/t-suhteen valitsemiseksi sekoituksen voimakkuuden ja muurahaishappopitoisuuden funktiona on esitetty alla olevassa taulukossa.

Sekoitusolosuhteet ja muurahaishappopitoisuus Suositeltu D/t-suhde Ydinperusteet ja eroosio-Korroosion muutos
Hidas turbiini,<1 m/s tip speed, mild agitation, 10–30% formic acid, 70°C 20–25 (e.g., 25 mm × 1.0 mm)Lower acid content results in lower corrosion rate. Thin wall, vibration regulated with additional supports every 500 mm. Reduced material cost.
Kohtuullinen sekoitus (2 m/s kärjen nopeus, häivytetty säiliö), 30–60 % muurahaishappoa, 85 astetta 12–18 (esim. 22 mm × 1,5 mm tai 30 mm × 2,0 mm) Kompromissi lämmönsiirron (ohuemmat seinämät suositeltavasti) ja jäykkyyden (paksummat seinät) välillä. Tyypillinen teollinen lämmitinjärjestely.
Voimakas sekoitus (suuri{0}}leikkaussekoitin, kaasusumutus), 60-90 % muurahaishappoa, 100 astetta 8-12 (esim. . 25 mm x 2,5 mm tai 20 mm x 2,0 mm) Eroosion korroosionkestävyys maksimi toivottu. Hyväksy pienempi lämmönsiirto (paksumpi seinämä lisää lämmönvastusta) Lisämaksu titaanimateriaalista.
Sekoitettu muurahaishappo, suspendoituneet kiteet (hankaavat olosuhteet) 6–10 (esim. 20 mm×2,5 mm tai 18 mm×2,0 mm) D/t-suhde minimoitu maksimaalisen jäykkyyden saavuttamiseksi. Seinämän paksuus antaa myös kulumisvaran. Vaihdettavia hihoja suositellaan.
Ulkohalkaisijan ja seinän välisen suhteen suunnittelu

D/t-suhde ei ole riippumaton putken tuen konfiguraatiosta. Välituet, jotka on erotettu korkeintaan 20 putken halkaisijan välein, minimoivat tärinän amplitudin kertoimella 70-80 prosenttia, jos D/t-suhde on suurempi kuin 15. Tukimateriaalilla on merkitystä: PTFE- tai PEEK-sisäosat välttävät galvaanista korroosiota ja minimoivat naarmuja verrattuna metallisiin tukiin. Muurahaishapon pitoisuusprofiili muuttaa myös eroosio{6}}korroosiomekanismia. Alle 20 % muurahaishappoa liuos on vähemmän pelkistävä ja passiivinen kalvon stabiilisuus paranee, mikä mahdollistaa suuremmat D/t-suhteet. Yli 80 % muurahaishappoa 100 asteessa tasaiset korroosionopeudet lisääntyvät sekoituksesta riippumatta ja D/t-suhdetta on alennettava, jotta seinämän paksuus sallitaan yleistä ohentamista varten tärinän hallinnan sijaan. Pitkän käyttöiän materiaalivarasto on seinämän paksuuden absoluuttinen arvo (ei pelkästään suhde). 2,0 mm:n seinämäisellä (halkaisija 40 mm) putkella D/t=20 on paljon suurempi eroosion sietokyky kuin 1,5 mm:n seinämäisellä (halkaisija 22,5 mm) putkella, jonka D/t=15.

Tietoinen määritys

Kun valitset titaanilämmittimen muurahaishappo/vesi-yhdistelmille sekoitetuissa olosuhteissa, määritä sekoitus sekoittimen kärjen nopeudella (m/s) ja säiliön häivytyksellä sekoituksen voimakkuuden määrittämiseksi. Alle 1,5 m/s:n kärjen nopeuksilla tyypilliset lämmitinmallit D/t 15-20 voivat olla sopivia, kun tuet on sijoitettu oikein. Yli 2,5 m/s kärjen nopeuksille ilmoita D/t-suhde enintään 12. Pyydä toimittajaa laskemaan luonnollinen taajuus ehdotetulle putken geometrialle ja tukivälille. Tärinämerkki, mikä tahansa amplitudin muutos tietyillä taajuuksilla käytön aikana voi viitata tukien löystymiseen tai muurahaishappopitoisuuden muutoksiin, mikä vaikuttaa nesteen tiheyteen. Halkaisijan -/-seinän suhteen valinta suunnitteluparametriksi antaa insinöörille suoran hallinnan eroosion ja korroosion nopeudesta yhdessä mekaanisesti vaativimmista titaanilaitteiden lämmityssovelluksista.