希硫酸（pH 2.5、80 度）中で二酸化チタン顔料のスラリーを加熱するチタン シースの場合、曲げ部での侵食-腐食を防ぐための臨界流速はどれくらいですか?

研磨剤、酸性スラリー用のチタンヒーター設計における基本的なトレードオフ
TiO2 顔料は、イルメナイト鉱石を濃硫酸中で蒸解し、その後溶液を希釈、加水分解、焼成することによって作られます。中間段階には、希硫酸 (pH 2.5、80 度) 中で TiO2 顔料のスラリーを加熱することが含まれます。このスラリーは、中央径0.2-0.5ミクロンのTiO2固体粒子を20-40wt%含有しており、多少研磨性がある。酸性電解質と粒子衝突の複合効果により、純粋な浸食と純粋な腐食の合計よりも高い材料損失率を伴うエロージョン-腐食環境が提供されます。 U 字型または蛇行したチタン製加熱管の曲げ領域は、加熱管の最も重要な部分であり、流路が変化し、粒子が速度と角度の増加で外壁 (エクストラドス) に衝突することになります。壁の厚さによって受動的な腐食許容量が得られますが、早期故障を回避するための重要な設計変数は、ヒーターを通過するスラリーの流速です。速度のしきい値を超えると、軽度で均一な摩耗から、6 か月以内に 2.0 mm のチタン壁を破壊する可能性のある重度の局所的な浸食腐食が発生します。この閾値速度以下では、不動態二酸化チタンコーティングは安定しており、壁厚 1.0 ～ 1.2 mm では数年の耐用年数があります。

機械的完全性への影響: 曲げ部でのエロージョンとコロージョンの相乗効果
静的または低流量環境下での pH 2.5 の希硫酸中でのグレード 2 チタンの不動態腐食速度は、0.02-0.05 mm/年です。 TiO 2 スラリー粒子は化学的に不動態皮膜と同一です。したがって、ガルバニック効果は無視できます。ただし、侵食性成分は、再不動態化するよりも早く保護酸化層を破壊します。曲げの外側に向けて、粒子の衝突角は表面に対して 30- 60 度の範囲になる傾向があり、チタンなどの脆性-延性材料の材料損失が最大になる領域です。エロージョン・コロージョン速度は経験的なべき乗則 w˙=k⋅vnw˙=k⋅vn で、vv は屈曲部での局所粒子速度、nn は酸性スラリー中のチタンでは通常 2.5 ～ 3.0 です。実質的な速度依存性は、流量が 2 倍になると摩耗率が 6 ～ 8 倍増加することを示唆しています。表面に平行な流れを伴う直管セグメントの場合、粒子は衝突するのではなくスライドするため、浸食速度は重要ではありません。主な違いは、曲がりの周りの流れの加速により、曲がりのはみ出し部分での局所的な速度がバルクのスラリー速度よりも 1.5​​ ～ 2.5 倍高くなる可能性があることです。したがって、パイプまたはタンク内のバルク流速は、エロージョン・コロージョン速度が許容できない約 3 ～ 4 m/秒の曲げ突出速度に対応するしきい値を下回る必要があります。

熱性能への影響: 温度-速度の相互作用
チタン シースを通る温度勾配は、不動態皮膜の安定性に影響を与えることにより、エロージョン{0}}腐食メカニズムに影響を与えます。壁の厚さが薄いということは、所定の出力密度に対する表面温度が低いことを意味し、したがって不動態皮膜の機械的堅牢性が向上することを意味する。バルク温度 80 度では、2.5 W/cm2 で動作する 1.0 mm の壁の外表面は約 92 度になります。 1.5 mm の壁は約 98 度に達します。 90 度を超える高温では、チタン上の不動態皮膜がより脆くなり、粒子の衝撃により剥離しやすくなります。 TiO2 スラリー (40 wt%、pH 2.5、80 度) を使用した研究室の浸食-腐食テストでは、1.0 mm の壁の臨界速度閾値は 2.8 m/s (バルク) ですが、1.5 mm の壁では、より高温で脆い酸化物の剥離により 2.2 m/s に低下することが実証されています。したがって、壁が厚くなると摩耗する材料が増えるだけでなく、安全な動作速度ウィンドウが減少し、生産スループットの損失につながる可能性があります。

トレードオフの合成: 臨界速度と肉厚マトリックス-
次のマトリックスは、希硫酸中で TiO2 スラリーを加熱するチタン シースの臨界バルクスラリー流速 (pH 2.5、80 度、固形分 30 wt%、中央粒径 0.3 μm) を示しています。これは、浸食-腐食速度が年間 0.3 mm に相当する速度として定義されます (製品の 3 年の寿命に相当します)。安全率を考慮した 1.0 mm の壁）。

チューブの曲げ半径 (R/D 比) チタンの肉厚 浸食の臨界かさ速度 (m/s)-腐食は次の条件に限定されます<0.3 mm/year Expected Life at Critical Velocity Core Engineering Rationale
R=3× OD (タイトベンド) 1.0 mm 1.8 m/s 2.5 – 3 年 タイトベンドにより、エクストラドでの局所速度が 3.5 ～ 4.0 m/s に加速されます。壁が薄いと温度が低くなり、速度許容範囲がわずかに増加します。連続使用は推奨されていません。
OD=3 x R (きつい曲げ) 1.5 mm 1.4 m/s 2 – 2.5 年 壁が厚いほど熱くなり、不動態皮膜の弾性が減少します。局所速度は高いままです。壁の厚さに関係なく、きつい曲げは避けてください。
R=5× OD (寛大な曲げ) 1.0 mm 2.8 m/s 4 – 5 年 Extrados 速度 ≈ 1.3× バルク。寛大なベンドにより、局所的な加速が最小限に抑えられます。壁が薄いため、表面の温度が低く保たれます。新鮮なデザインに最適な組み合わせ。
R=5× OD (寛大な曲げ) 1.2 mm – 1.4 mm 2.5 m/秒 5 – 6 年 肉厚が若干厚く、温度が過度に上昇することなく浸食耐性が得られます。速度変動がまれな、繊細な用途に適しています。
R=8× OD (非常に大きな曲げ) または回転羽根付きの直管 1.0 mm – 1.2 mm > 3.5 m/s > 8 年 曲げ加速度を除去します。エロージョン-腐食はそれほど重要ではありません。壁の厚さは、圧力と腐食の基準を満たす必要があるだけです。
曲がり角周辺のエンジニアリング: 整流装置とヒーターの向き
タンクの構造により狭い曲げ半径（R < 4 x OD）が避けられない場合、2 つの代替技術を使用すると、生産速度を犠牲にすることなくエロージョン-腐食を最小限に抑えることができます。局所速度加速係数は、整流装置を適用するかヒーターの曲がりの上流でベーンを回転させてスラリーの向きを変えてチューブの輪郭に従うことによって、2.0 から 1.2 に減少します。数値流体力学シミュレーションは、ベーンを備えた 3x OD ベンドのエクストラドス速度が、臨界しきい値を下回る 2.0 m/s のバルク速度で 4.0 m/s から 2.2 m/s に減少することを示しています。 2 つ目は、粒子が沈降したり高い角度で衝突したりすることなく、曲がりを越えて移動できるように、ヒーターはスラリーが上向きに流れるように垂直に向けることです。重力によって粒子がエクストラドスに向かって押しやられ、衝撃頻度が増加するため、水平面内に曲がりがある水平方向の配向は避けるべきです。最後に、かなりの曲げ半径 (R=6× OD) を備えたやや厚い壁 (1.4 ～ 1.6 mm) により、熱効率が低下する一方で、不確実または変化しやすい流れ条件に対応する慎重な設計が得られます。

結論: 壁厚に対する速度制御と曲げ形状の影響
pH 2.5、80 度の希硫酸中で TiO 2 スラリーを加熱するチタン シースの曲げ部でのエロージョン-腐食を防ぐために必要な流速は、R=5× OD と壁厚 1.0 ～ 1.2 mm のしっかりとした構造のヒーターの場合、およそ 2.5 ～ 3.0 m/秒の体積速度です。これより速くなると、材料の損失は指数関数的に大きくなるでしょう。厚い壁は数か月以内に貫通されるでしょう。この制限を下回る浸食-腐食は無視でき、厚さ 1.0 mm のチタン シースの耐用年数は 4 ～ 5 年です。主な設計上のアドバイスは、十分な曲げ半径 (R が 5x OD 以上) と 2.5 m/秒未満のバルク スラリー速度を選択し、その後、腐食代と機械的取り扱い要件 (通常は 1.2 mm) に基づいて壁の厚さを選択することです。速度や曲げ形状を制御せずに肉厚を増やすことは、誤った安心感です。 3.5m/秒での 2.0 mm の壁は、2.0 m/秒での 1.0 mm の壁よりも早く破壊されます。研磨用酸性スラリー用のヒーターを指定する場合は、推定スラリー速度と粒度分布をメーカーに提供し、曲げ半径の確認を依頼してください。エンジニアリング上の主な考慮事項は、最大肉厚ではなく、速度管理です。