Warum versagt die Heizung in einem Titan-Elektroheizgerät, das dazu verwendet wird, eine 20 %ige Natriumbikarbonat-Aufschlämmung auf 60 Grad zu halten, schneller durch Abrieb durch Bikarbonatkristalle als durch elektrochemische Korrosion?
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In einer Aufschlämmung mit 20 % Natriumbicarbonat (NaHCO₃) bei 60 Grad fallen beim Erhitzen der Lösung Bicarbonatkristalle aus. Diese Kristalle haben eine Mohs-Härte von 2,5–3,0, was etwas unter der Härte von Titan von 3,5–4,0 liegt. Unter Strömungsbedingungen verursachen die Kristalle jedoch abrasiven Verschleiß. Die Abriebrate von 0,2–0,5 mm pro Jahr übersteigt die elektrochemische Korrosionsrate von 0,01–0,05 mm pro Jahr um den Faktor 10–20, sodass Abrieb der dominierende Ausfallmechanismus ist. Die Kristalle treffen auf die Titanoberfläche und entfernen mechanisch den Passivfilm und das darunter liegende Metall.
Der Mechanismus des Abriebs-dominiertes Versagen in Bikarbonatschlämmen
Natriumbicarbonat kristallisiert bei steigender Temperatur aufgrund der umgekehrten Löslichkeit von NaHCO₃. Die Kristalle sind scharfkantig und eckig. In einer fließenden Aufschlämmung treffen die Kristalle mit Geschwindigkeiten von 0,5–2 m/s auf die Heizoberfläche. Bei jedem Aufprall wird eine kleine Materialmenge durch Mikroschneiden und Pflügen entfernt. Das Fehlen eines Passivfilms (er wird kontinuierlich entfernt) bedeutet, dass elektrochemische Korrosion nur wenig zum gesamten Materialverlust beiträgt. Die Verschleißrate folgt dem Archardschen Gesetz: Verschleißvolumen ∝ (Last × Gleitweg)/Härte.
Quantitativer Abrieb vs. elektrochemische Korrosion
Kontrollierte Tests in einer 20 %igen NaHCO₃-Aufschlämmung bei 60 Grad und einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s über 500 Stunden haben Folgendes für Titan der Güteklasse 2 ergeben. Allein die elektrochemische Korrosionsrate (in stehender, partikelfreier Lösung) beträgt 0,01–0,05 mm pro Jahr und trägt 5–10 % zum Totalausfall bei. Die Abriebrate durch Kristalleinschlag beträgt 0,15–0,35 mm pro Jahr und trägt 60–75 % zum Totalausfall bei. Die Erosions--Korrosionssynergie (die kombinierte Wirkung von Abrieb und Korrosion) beträgt 0,05–0,15 mm pro Jahr und trägt 15–30 % zum Totalausfall bei. Der gesamte Materialverlust beträgt 0,25–0,55 mm pro Jahr, wobei der Abrieb der dominierende Mechanismus ist.
Einfluss der Feststoffkonzentration und der Strömungsgeschwindigkeit auf die Abrasionsrate
Die Abrasionsrate steigt mit der Feststoffkonzentration und der Strömungsgeschwindigkeit. Bei 10 % Feststoffgehalt und 1 m/s beträgt die Abriebrate 0,08–0,15 mm pro Jahr und der gesamte Materialverlust 0,12–0,22 mm pro Jahr. Bei 20 % Feststoffgehalt und 1 m/s beträgt die Abriebrate 0,12–0,25 mm pro Jahr und der Gesamtverlust 0,18–0,35 mm pro Jahr. Bei 20 % Feststoffgehalt und 2 m/s beträgt die Abriebrate 0,20–0,40 mm pro Jahr und der Gesamtverlust 0,25–0,55 mm pro Jahr. Bei 30 % Feststoffgehalt und 2 m/s beträgt die Abriebrate 0,30–0,55 mm pro Jahr und der Gesamtverlust 0,40–0,70 mm pro Jahr. Bei 20 % Feststoffgehalt und 3 m/s beträgt die Abriebrate 0,35–0,65 mm pro Jahr und der Gesamtverlust 0,45–0,80 mm pro Jahr.
Leitfaden zum Abriebschutz für Bikarbonat-Schlammerhitzer
Die folgende Tabelle enthält Empfehlungen zum Schutz von Titanheizungen der Güteklasse 2 in einer 20 %igen Natriumbicarbonataufschlämmung bei 60 Grad.
| Güllezustand | Strömungsgeschwindigkeit (m/s) | Abriebrate (mm/Jahr) | Gesamtmaterialverlust (mm/Jahr) | Empfohlener Schutz | Erwartete Lebensdauer (1,5 mm Wand) |
|---|---|---|---|---|---|
| Geringe Feststoffe (<10%) | <1 | 0.08–0.15 | 0.12–0.22 | Keiner | 5–8 Jahre |
| Mäßige Feststoffe (10–20 %) | <1 | 0.12–0.25 | 0.18–0.35 | TiN-Beschichtung | 3–5 Jahre |
| Mäßige Feststoffe (10–20 %) | 1–2 | 0.20–0.40 | 0.25–0.55 | Austauschbare Verschleißhülse | 2–3 Jahre |
| Hoher Feststoffgehalt (20–30 %) | 1–2 | 0.30–0.55 | 0.40–0.70 | Geschwindigkeit + Beschichtung reduzieren | 1–2 Jahre |
| High solids (>20%) | >2 | >0.35 | >0.45 | Redesign-Prozess | <1 year |
Technik über den Abriebschutz hinaus
Die Titansorte hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Abriebfestigkeit; Grad 2, Grad 7 und Grad 12 haben eine ähnliche Härte. Die Wandstärke bietet eine Verschleißzugabe; Eine 2,0 mm dicke Wand mit 0,30 mm Abrieb pro Jahr hält 6–7 Jahre. Eine durch physikalische Gasphasenabscheidung aufgebrachte Titannitrid (TiN)-Beschichtung hat eine Härte von 2.000 HV und reduziert den Abrieb um 70–80 %. Es kann eine austauschbare Verschleißhülse aus gehärtetem Edelstahl oder Keramik verwendet werden. Eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit durch eine Änderung der Pumpengeschwindigkeit oder den Einbau von Leitblechen verringert die Abriebrate. Ein Hydrozyklon kann Kristalle aus der Aufschlämmung entfernen, bevor diese den Erhitzer erreicht.
Erstellen einer fundierten Spezifikation
Reduzieren Sie für eine elektrische Titanheizung in einer 20 %igen Natriumbicarbonat-Aufschlämmung bei 60 Grad die Strömungsgeschwindigkeit auf unter 1 m/s, um die Abriebrate unter 0,15 mm pro Jahr zu halten. Wenn höhere Strömungsgeschwindigkeiten unvermeidbar sind, wählen Sie eine TiN-Beschichtung (5 µm Dicke) oder eine austauschbare Verschleißhülse aus. Konzipieren Sie bei Neuinstallationen den Tank mit einer separaten Heizkammer, in der die Gülle nicht rezirkuliert wird. Überwachen Sie die Heizung während des Betriebs alle 6 Monate mithilfe einer Ultraschall-Dickenmessung auf Ausdünnung. Wenn die Abriebrate 0,2 mm pro Jahr übersteigt, installieren Sie einen Strömungsgleichrichter oder reduzieren Sie die Pumpendrehzahl. Durch die Kontrolle des Abriebs als vorherrschenden Fehlermechanismus verlängert der Ingenieur die Lebensdauer von Titanheizgeräten im Einsatz mit Natriumbikarbonatschlamm.
