撹拌条件下でギ酸と水の混合物を加熱する場合、チューブの直径と-壁の比率によって耐侵食性はどのように変化しますか?{2}

ギ酸 (HCOOH) の混合水は、チタンの不動態皮膜の安定性を脅かす還元環境を生成します。ギ酸は、硝酸や海水のような自然再不動態化のための酸化条件を引き起こしません。高温 (70 ～ 100 度) でのギ酸濃度が 10 ～ 90% の場合、チタンは薄くて比較的不安定な酸化物シートを使用します。機械的撹拌、ポンプの再循環、またはガスの散布によって撹拌が行われる場合、化学的攻撃と機械的流体せん断の複合効果によって浸食-状態が生じます。この二重攻撃に対するチタン表面の反応は、チューブの直径対壁の比 (D/t) に大きく依存します。 D/t が小さい（直径に対して壁が厚い）と、チューブの流体界面での表面応力状態と流体力学が変化し、材料除去速度に直接影響します。{10}

撹拌されたギ酸における侵食-腐食のメカニズム

エロージョン-コロージョンは、純粋な腐食や純粋なエロージョンとは異なります。ギ酸では、腐食成分が不動態皮膜を継続的に攻撃する一方で、撹拌成分が部分的に保護している表面層を機械的に除去します。せん断応力は局所的な速度勾配の二乗に比例し、チューブ表面での流体速度によって引き起こされます。所定の流量では、局所速度とせん断応力は、直径が小さいチューブの方が高くなります (したがって、同じ壁厚では D/t 比が低くなります)。ただし、支配的な効果は表面ひずみによるものです。振動に反応して、チューブはその剛性に関連した周波数で振動します。チューブの曲げ剛性は慣性モーメントに比例し、(D4 - (D-2t)4) のように変化します。 D/t 比が小さいほど、振動による表面歪みに耐える剛性の高いチューブが得られます。表面のひずみが減少するということは、不動態皮膜が機械的に破壊される頻度が少なくなり、腐食部分が急速に皮膜を破壊するのではなく、よりゆっくりとより均一になる可能性があることを意味します。

材料除去率とD/t比の定量的相関関係

85 度の 50% ギ酸、流速 2 m/s、および Rushton タービンによる撹拌 (先端速度 3 m/s) での制御ループ試験により、グレード 2 チタンについて次の関係が得られました。

8 D/t 比 (例: . 20mm 直径、壁 2.5mm): 0.08mm/年の材料除去率。壁対直径の比が比較的大きいため、通常の撹拌機周波数 (20-50 Hz) をはるかに上回る 200 Hz を超える固有振動数を持つ硬いチューブが得られます。フィルム振動の乱れが最小限に抑えられます。エロージョン・コロージョンは均一に分布しており、予測可能です。

D/t 比 15 (例: . 24 mm 直径、壁 1.6 mm): 材料除去率: 0.22 mm/年。チューブの剛性は D/t と比較して約 60% 減少しました=8. 撹拌翼の通過周波数で、共振振動が発生します。チューブサポートと中間スパンでのフィルムの局所的な破壊により、除去率が 2.7 倍向上します。{8}}

D/t 比 25 (例: 直径 . 25 mm、肉厚 1.0 mm): 0.55 mm/年の材料除去率。チューブの剛性は D/t と比較して約 85% 減少しました=8. 過度の振動により、接触部位にフレッチングが発生します。除去速度は、より大きな変位振幅のポイントで攻撃が強化されるため、非常に局所的になります。

D/t 比 33 (例: 直径 . 33 mm、肉厚 1.0 mm): 材料除去率 > 1.0 mm/年。チューブは、撹拌機の設計に関係なく、流れによって引き起こされる振動-を受けます。撹拌されたフォーマイカとの使用は推奨されません。

用途別の直径対壁比の選択ガイド

撹拌強度とギ酸濃度の関数として最適な D/t 比を選択するための決定枠組みを以下の表に示します。

撹拌条件とギ酸濃度 推奨 D/t 比 基本的根拠とエロージョン-コロージョン修正
タービンが遅い、<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.
中程度の撹拌 (先端速度 2 m/s、バッフル付きタンク)、30 ～ 60% ギ酸、85 度 12 ～ 18 (例: 22 mm × 1.5 mm または 30 mm × 2.0 mm) 熱伝達 (薄い壁が好ましい) と剛性 (厚い壁が好ましい) の間の妥協。典型的な工業用ヒーターの配置。
激しい撹拌（-高せん断ミキサー、ガススパージング）、60〜90%のギ酸、100度8〜12（例：. 25 mm x 2.5 mmまたは20 mm x 2.0 mm）最大の耐浸食性が望ましい。低い熱伝達を受け入れます (壁が厚いと熱抵抗が増加します) チタン材料の場合は追加料金がかかります。
撹拌ギ酸、懸濁結晶 (研磨条件) 6 ～ 10 (例: 20 mm x 2.5 mm または 18 mm x 2.0 mm) D/t 比を最小限に抑えて最大の剛性を実現。肉厚は摩耗許容量も提供します。交換可能なウェアスリーブをお勧めします。
外径対壁比エンジニアリング

D/t 比は、チューブサポートの構成に依存しません。チューブ直径 20 以下の間隔で分離された中間サポートにより、D/t 比が 15 を超える場合、振動振幅が 70 ～ 80 パーセント最小化されます。サポート材料が重要です。PTFE または PEEK インサートは、金属製サポートと比較して電気腐食を回避し、フレッチングを最小限に抑えます。ギ酸の濃度プロファイルも侵食-のメカニズムを変化させます。ギ酸が 20% 未満では、溶液の還元性が低くなり、不動態皮膜の安定性が高まるため、より大きな D/t 比が可能になります。 100 度で 80% のギ酸を超えると、撹拌に関係なく均一な腐食速度が増加するため、振動制御ではなく一般的な薄肉化のための壁厚許容値を提供するために D/t 比を下げる必要があります。長い耐用年数を維持するための材料残存量は、壁厚の絶対値 (単なる比率ではありません) です。 D/t=20 の肉厚 2.0 mm (直径 40 mm) のチューブは、D/t=15. の肉厚 1.5 mm (直径 22.5 mm) のチューブよりもはるかに高い耐侵食性を持っています。

情報に基づいた仕様

撹拌条件下でのギ酸と水の組み合わせにチタン ヒーターを選択する場合は、撹拌機の先端速度 (m/s) とタンクのバッフルで撹拌を定義し、撹拌強度を決定します。先端速度が 1.5 m/秒未満の場合は、適切な間隔でサポートを配置した D/t 15-20 の一般的なヒーター設計が適しています。先端速度が 2.5 m/s を超える場合は、D/t 比が 12 を超えないことを明記してください。推奨されるチューブの形状とサポート間隔の固有振動数を計算するようサプライヤーに依頼してください。振動の兆候、つまり動作中の特定の周波数での振幅の変化は、サポートの緩みや流体密度に影響を与えるギ酸濃度の変化を示している可能性があります。直径-対-壁の比を設計パラメータとして選択すると、エンジニアはチタン機器の最も機械的に要求の高い加熱用途の 1 つでエロージョン・コロージョン速度を直接制御できます。