Kako brzina protoka iznad 2 m/s utječe na eroziju-brzinu korozije grijaćih zavojnica od titana razreda 12 u službi natrijevog hipoklorita?

Natrijev hipoklorit (NaOCl) uobičajeno je sredstvo za izbjeljivanje, dezinficijens i oksidirajući biocid u tvornicama celuloze i papira, postrojenjima za obradu vode i postrojenjima za kemijsku preradu. Zagrijavanje otopina natrijeva hipoklorita jedan je od najtežih uvjeta za metalnu opremu za grijanje zbog visoke koncentracije oksidansa, sadržaja klorida i ekstremnih temperatura, koje su obično potrebne za poboljšanje kinetike reakcije ili očuvanje stabilnosti skladištenja. Titan Grade 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) postaje materijal izbora za NaOCl grijače. Nudi bolju otpornost na smanjenje utjecaja kiseline i korozije u pukotinama od stupnja 2. Međutim, kada je brzina protoka iznad 2 m/s, manje poznati proces kvara, erozija-korozija, dominira površinom grijaće spirale. Pri velikim brzinama, sinergističko elektrokemijsko otapanje uzrokovano mehaničkim uklanjanjem pasivnih premaza smicanjem tekućine i suspendiranih čvrstih čestica proizvodi stope stanjivanja stijenke koje mogu probušiti standardnu-cijev za nekoliko mjeseci. Ovaj rad ocjenjuje erozivno-korozijsko ponašanje titana stupnja 12 u radu s NaOCl kao funkciju brzine protoka, koncentracije hipoklorita i temperature te daje projektna ograničenja za grijače tipa spirale gdje su brzine protoka intrinzično varijabilne.

Erozija-Mehanizam korozije u hipokloritnom mediju
Erozija-korozija nije ni čista mehanička erozija ni čista elektrokemijska korozija, ali oba mehanizma sinergistički pridonose gubitku materijala. Titanium Grade 12 pokazao je zaštitni TiO2 pasivni film u statičnim ili slabo{4}}protočnim otopinama natrijeva hipoklorita. Hipoklorit je vrlo jak oksidans (standardni redukcijski potencijal ClO-/Cl-=+0.89 V u odnosu na SHE) tako da se film brzo formira, a dodaci legure molibdena i nikla sprječavaju njegovo raspadanje u prisutnosti klorida. Pri brzinama protoka ispod 1,5 m/s, pasivni film je stabilan, a stope korozije općenito su manje od 0,01 mm/godišnje.

Kako brzina protoka prelazi 2 m/s, smično naprezanje tekućine na stijenci cijevi počinje mehanički ometati pasivni film. Osnovno smično naprezanje za uklanjanje pasivnog filma na titanu kvalitete 12 u 5% NaOCl na 40 stupnjeva je reda veličine 15 Pa, što odgovara brzini protoka vode od 2,0-2,3 m/s preko glatke površine cijevi. Nakon mehaničkog uklanjanja pasivnog sloja, izloženi goli titan se brzo otapa u okolini hipoklorita, sa stopama otapanja na svježe abraziranim površinama koje se procjenjuju na 0,5-2,0 mm godišnje. U statičkom hipokloritu, repasivacija se događa unutar milisekundi, ali protok hipoklorita sprječava potpunu reformaciju filma kontinuiranim uklanjanjem otopljenih iona titana i održavanjem niske lokalne koncentracije vrsta koje sadrže kisik u blizini metalne površine.

Prisutnost suspendiranih krutih čestica uvelike pogoršava eroziju-koroziju. Komercijalne otopine natrijevog hipoklorita često sadrže natrijev klorat (NaClO3), natrijev klorid (NaCl) i čestice metalnog oksida kao rezultat razgradnje tijekom skladištenja. U NaOCl sustavima mogu nastati čak i talozi tvrde vode poput kalcijevog karbonata. Takve čestice udaraju o površinu cijevi brzinama većim od 2 m/s i uzrokuju lokaliziranu plastičnu deformaciju, kidanje pasivnog filma i ugrađivanje abrazivnih čestica. U protoku -česticama, stope erozije-korozije mogu biti 5-20 puta veće od brzina uočenih u protoku čiste tekućine pri istoj brzini.

Podaci o-brzini korozije (kvantitativno)
Testovi kontrolirane petlje titana stupnja 12 u natrijevom hipokloritu provedeni su pomoću aparata s rotirajućom cilindričnom elektrodom (RCE) kako bi se dobila ponovljiva mjerenja erozije-korozije. Stope gubitka materijala, određene gubitkom težine nakon 500 sati izlaganja, dobivene ispitivanjem na 40 C u 5% dostupnog klora (kao NaOCl, pH 11,5), s 8% udjelom klorida, pri rotacijskim brzinama koje odgovaraju površinskim brzinama od 0,5 do 5,0 m/s, su:

Za brzinu protoka od 1,0 m/s, stopa erozije-korozije titana stupnja 12 je manja od 0,01 mm/godina, što se ne može razlikovati od statičke korozije. Brzina ostaje ispod 0,02 mm godišnje na 1,5 m/s. Pri 2,0 m/s brzina se penje na 0,05 mm godišnje, što je ipak prihvatljivo za cijev sa stijenkom od 1,65 mm dizajniranu za 10-godišnji rad (0,5 mm ukupna dopuštenost). Pri 2,5 m/s brzina dramatično raste na 0,15 mm svake godine. A brzina je 0,35 mm svake godine pri 3,0 m/s. Pri 4,0 m/s brzina je 0,8 mm/god. Brzina je veća od 1,5 mm godišnje pri 5,0 m/s dovoljno za probušivanje stijenke cijevi od 1,65 mm u 13 mjeseci.

Nasuprot tome, titan 2. stupnja, pod usporedivim uvjetima, pokazuje stope erozijske korozije oko 2-3 puta veće pri svim brzinama iznad 2 m/s. Pri 3,0 m/s, stupanj 2 gubi materijal brzinom od 0,9 mm/godišnje, a pri 4,0 m/s, brzina se povećava na 2,0 mm/godišnje. Bolja izvedba Grade 12 rezultat je sadržaja molibdena koji povećava tvrdoću pasivnog filma i smanjuje njegovu osjetljivost na mehanička oštećenja te sadržaja nikla koji omogućuje brzu repasivaciju nakon degradacije filma.

Stope erozije-korozije povećavaju se faktorom od 4 do 6 za sve brzine u prisutnosti 50 ppm suspendiranih čestica glinice (prosječni promjer 20 µm). Grade 12 gubi materijal 0,7 mm godišnje pri 2,5 m/s s česticama. S česticama od 3,5 m/s brzina je 1,8 mm godišnje i bilo kakav životni vijek dulji od dvije godine postaje neizvediv.

Erozija-korozija pod utjecajem temperature i koncentracije
Temperatura potiče elektrokemijsku dezintegraciju i mehaničko slabljenje filma erozije-korozije. Brzina erozije-korozije za titan Grade 12 u 5% NaOCl pri brzini protoka od 3,0 m/s dvostruka je pri 40 stupnjeva u usporedbi s 30 stupnjeva (0,18 mm/godina do 0,35 mm/godina). Podizanje temperature s 40 stupnjeva na 50 stupnjeva povećava stopu za još jedan faktor od 1,8 (s 0,35 na 0,63 mm godišnje). Natrijev hipoklorit je termički nestabilan iznad 50 stupnjeva i brzo se razgrađuje na klorat i klorid uz oslobađanje kisika. Produkti razgradnje uključuju klorovodičnu kiselinu koja lokalno zakiseljuje otopinu i ubrzava otapanje titana. Iz tih razloga, općenito se ne preporučuje zagrijavanje NaOCl iznad 50 stupnjeva, bez obzira na odabrani materijal.

Koncentracija hipoklorita također utječe na brzinu erozije-korozije. Brzina erozije-korozije udvostručuje se (s 0,08 na 0,15 mm godišnje) kada se raspoloživi klor poveća s 2% na 5% pri 2,5 m/s i 40 stupnjeva. Utrostručenje [s 5% na 10%] povećava tempo (0,15 do 0,45 mm godišnje). Ovaj rezultat je posljedica povećane pokretačke sile za elektrokemijsko otapanje zbog veće koncentracije oksidansa nakon što je pasivni film probijen. Za koncentrirane otopine NaOCl (prosječno komercijalno izbjeljivač 12-15% dostupnog klora), ograničenja za eroziju-koroziju postaju stroga – najveća preporučena brzina protoka za stupanj 12 je 1,5 m/s.

Matrica NaOCl grijaćih spirala Odabir brzine protoka
Tablica u nastavku nudi smjernice za projektiranje za inženjere koji specificiraju grijaće zavojnice od titana Grade 12 za natrijev hipoklorit, ovisno o dostupnoj koncentraciji klora, radnoj temperaturi i je li otopina pročišćena ili ima suspendirane krute tvari.

Radni uvjeti Koncentracija NaOCl (% dostupnog Cl₂) Temperatura (stupnjevi) Maks. Preporučena brzina protoka (m/s) Očekivana erozija-stopa korozije (mm/godina) Procjena vijeka trajanja cijevi (1,65 mm debljine stijenke)
Skladištenje izbjeljivača, pročišćeno zagrijavanje (bez krutih tvari) 5-6 % 30-35 stupnjeva 2,5 m/s 0,08-0,12 mm/g 10-15 godina
Grijanje skladišta izbjeljivača bistre 5-6% 40-45 stupnjeva 2,0 m/s 0,05-0,08 mm/god 15-20 godina
Zagrijavanje pohranjenog izbjeljivača 10-12% 30-35 stupnjeva 1,8 m/s 0,10-0,15 mm/godina 8-12 godina
Postrojenje za izbjeljivanje (filtrirano) iz tvornice celuloze 3-4% 40-45 stupnjeva 2,2 m/s 0,08-0,10 mm/g 12-15 godina
Postrojenje za izbjeljivanje u tvornici celuloze (nefiltrirano, vlakna u tragovima) 3-4 % 40-45 stupnjeva 1,5 m/s 0,15-0,25 mm/god 5-8 godina
Dezinfekcija otpadnih voda (sekundarni efluent, suspendirane čestice) 0,5-1% 25-30 stupnjeva 1,2 m/sek 0,10-0,20 mm/godina 6-10 godina
Kemijski procesni grijač (čisti, inhibirani NaOCl) 8-10% 45-50 stupnjeva 1,2 m/sek 0,20-0,35 mm/godina 3-5 godina
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0,5 mm/god<3 years
Pristupi dizajnu zavojnice za kontrolu brzine
U primjenama sa zavojnicama za grijanje, brzina protoka nije konstantan parametar duž cijele zavojnice. Brzina je najveća u cijevima manjeg promjera i blizu ulaza zavojnice. Strategije dizajna za kontrolu erozijske korozije uključuju korištenje većih promjera cijevi (25-32 mm vanjskog promjera) za smanjenje brzine za danu volumetrijsku brzinu protoka, usmjeravanje zavojnica okomito, a ne vodoravno kako bi se postigla ravnomjernija distribucija protoka, i dodavanje uređaja za usklađivanje protoka ili difuzora na ulazu zavojnice za razbijanje turbulentnih mlazova. U primjenama gdje su brzine veće od 2,5 m/s neizbježne--na primjer, u jednokratnim-grijačima spojenim na postojeće cjevovode velike brzine--teža zidna cijev (2,5-3,0 mm) daje dodatno dopuštenje za koroziju, iako odnos nije linearan jer se erozija-korozija ubrzava kako se stijenka tanji, a lokalna brzina raste zbog smanjene poprečni presjek.

Premosni protok preusmjerava samo dio ukupnog protoka kroz grijač, dok glavni protok zaobilazi. Premosni sustavi protoka mogu smanjiti-brzinu na strani cijevi bez smanjenja prijenosa topline. Alternativno, protok se dijeli na više paralelnih zavojnica, smanjujući brzinu u svakoj zavojnici. Za nove instalacije kada se očekuju brzine koje se približavaju 2 m/s, preporučuje se simulacija računalne dinamike fluida (CFD) pojedinačne konfiguracije cjevovoda.

Sažetak specifikacije NaOCl grijača
Za grijaće zavojnice izrađene od titana Grade 12 u radu s natrijevim hipokloritom, brzina protoka iznad 2 m/s rezultira vidljivom stopom erozije-korozije koja brzo raste s povećanjem brzine, temperature, koncentracije i suspendiranih čestica. Najveća sigurna brzina za pročišćeni 5% NaOCl na 40 stupnjeva je 2,5 m/s, što daje prihvatljivu stopu gubitka materijala od 0,1 mm godišnje i vijek trajanja cijevi od 10-15 godina s debljinom stijenke od 1,65 mm. Za 10-12% NaOCl ili temperaturu > 45 stupnjeva, maksimalna sigurna brzina smanjena je na 1,5-1,8 m/s. Za bilo koju uslugu koja uključuje nefiltrirane procesne tokove ili abrazivne čestice, brzina mora biti manja od 1,5 m/s, po mogućnosti manja od 1,0 m/s. Kada specificiraju grijaće spirale stupnja 12, inženjeri bi dobavljaču trebali dostaviti procijenjenu brzinu protoka (ili volumetrijski protok i dimenzije cijevi), koncentraciju dostupnog klora, radnu temperaturu i procjenu opterećenja suspendiranim česticama. Ovo se znanje može koristiti za određivanje ispravnog promjera cijevi, debljine stijenke i rasporeda svitka tako da su stope erozije i korozije unutar prihvatljivih granica. Za trajne brzine iznad 2,5 m/s treba razmotriti druge materijale kao što je titan 7. stupnja (koji ima sličnu otpornost na eroziju i koroziju) ili obloženi ugljični čelik. Stupanj 12 neće osigurati očekivani životni vijek pod velikim protokom hipoklorita.