2 m/s を超える流速は次亜塩素酸ナトリウムのサービスにおけるチタン グレード 12 加熱コイルの侵食速度にどのような影響を及ぼしますか?{1}

次亜塩素酸ナトリウム (NaOCl) は、パルプ工場、製紙工場、水処理施設、化学処理工場で一般的な漂白剤、消毒剤、酸化性殺生物剤です。次亜塩素酸ナトリウム溶液の加熱は、高い酸化剤濃度、塩化物含有量、極端な温度のため、金属加熱装置にとって最も過酷な条件の 1 つであり、通常は反応速度の向上や保存安定性の維持に必要となります。チタン グレード 12 (Ti-0.3Mo-0.8Ni) は、NaOCl ヒーターに最適な材料になりつつあります。グレード 2 よりも酸による攻撃や隙間腐食の軽減に対して優れた耐性を備えています。ただし、流速が 2 m/s を超えると、あまり知られていない破損プロセスであるエロージョン-腐食が加熱コイル表面の大半を占めます。高速では、流体せん断による不動態コーティングの機械的除去と浮遊固体粒子によって引き起こされる相乗的な電気化学的溶解により、数か月で標準ゲージ管に穴が開く可能性のある薄肉化速度が発生します。-。この論文では、NaOCl サービスにおけるグレード 12 チタンのエロージョン・コロージョン挙動を流速、次亜塩素酸塩濃度、温度の関数として評価し、流速が本質的に変化するコイル型ヒーターの設計限界を示します。

次亜塩素酸塩媒体における侵食-腐食のメカニズム
エロージョン-コロージョンは、純粋な機械的エロージョンでも純粋な電気化学的腐食でもありませんが、両方のメカニズムが相乗的に材料損失に寄与します。チタン グレード 12 は、静的または低流量の次亜塩素酸ナトリウム溶液中で保護 TiO2 不動態膜を示しました。-。次亜塩素酸塩は非常に強力な酸化剤（SHE に対する標準還元電位 ClO-/Cl-=+0.89 V）であるため、膜の形成が速く、モリブデンとニッケルの合金添加により塩化物の存在下で膜が分解するのを防ぎます。 1.5 m/s 未満の流速では、不動態皮膜は安定しており、腐食速度は一般に 0.01 mm/年未満です。

流速が 2 m/s を超えると、チューブ壁の流体せん断応力によって不動態皮膜が機械的に乱され始めます。グレード 12 チタン上の 40 度の 5% NaOCl 中での不動態皮膜の除去に必要なせん断応力は 15 Pa 程度で、これは滑らかなチューブ表面を横切る水の流速 2.0-2.3 m/s に相当します。不動態層を機械的に除去すると、露出した裸のチタンは次亜塩素酸塩環境で急速に溶解し、新たに研磨された表面での溶解速度は年間 0.5 ～ 2.0 mm と推定されます。静的な次亜塩素酸塩では、再不動態化は数ミリ秒以内に起こりますが、次亜塩素酸塩の流れは、溶解したチタンイオンを継続的に一掃し、金属表面付近の酸素含有種の局所濃度を低く保つことにより、膜の完全な再形成を防ぎます。

浮遊固体粒子の存在はエロージョン-コロージョンを大幅に悪化させます。市販の次亜塩素酸ナトリウム溶液には、保管中の分解の結果、塩素酸ナトリウム (NaClO3)、塩化ナトリウム (NaCl)、および金属酸化物の粒子が含まれることがよくあります。 NaOCl システムでは、炭酸カルシウムのような硬水の沈殿物も形成されることがあります。このような粒子は 2 m/s を超える速度でチューブ表面に衝突し、局所的な塑性変形、不動態皮膜の引き裂き、研磨粒子の埋め込みを引き起こします。粒子-を多く含む流れでは、侵食-腐食速度は、同じ速度のきれいな流体の流れで観察される速度の 5 ～ 20 倍になる可能性があります。

侵食-腐食速度データ（定量的）
次亜塩素酸ナトリウム中でのグレード 12 チタンの制御ループ テストは、回転円筒電極 (RCE) 装置を使用して実行され、再現可能なエロージョン-腐食測定値が得られました。材料の損失率は、500 時間暴露後の重量損失によって決定され、40℃、塩化物含有量 8% の 5% 有効塩素 (NaOCl として、pH 11.5) 中で、表面速度 0.5 ～ 5.0 m/s に相当する回転速度で試験することによって得られます。

流速 1.0 m/s の場合、グレード 12 チタンのエロージョン-腐食速度は 0.01 mm/年未満であり、静的腐食と区別できません。ペースは 1.5 m/s で年間 0.02 mm 未満にとどまります。 2.0 m/s では、速度は年間 0.05 mm に上昇しますが、それでも 10 年間の動作用に設計された壁厚 1.65 mm のチューブ (総許容値 0.5 mm) としては許容可能です。 2.5 m/s では、速度は毎年 0.15 mm まで劇的に増加します。そして、その速度は 3.0 m/秒で毎年 0.35 mm です。 4.0 m/s では、速度は 0.8 mm/年です。この速度は 5.0 m/秒で年間 1.5 mm 以上であり、13 か月で 1.65 mm のチューブ壁に穴を開けるのに十分です。

対照的に、グレード 2 チタンは、同等の条件下で、2 m/秒を超えるすべての速度で約 2 ～ 3 倍の浸食速度を示します。 3.0 m/s では、グレード 2 では 0.9 mm/年の速度で物質が失われ、4.0 m/s では、その速度は 2.0 mm/年に増加します。グレード 12 の優れた性能は、不動態皮膜の硬度を高めて機械的破壊に対する脆弱性を軽減するモリブデン含有量と、皮膜劣化後の迅速な再不動態化を可能にするニッケル含有量によるものです。

50 ppm の懸濁アルミナ粒子（平均直径 20 μm）が存在すると、エロージョン-腐食速度はすべての速度で 4 ～ 6 倍増加します。グレード 12 では、粒子とともに 2.5 m/s で年間 0.7 mm の物質が失われます。 3.5 m/s の粒子の場合、その速度は年間 1.8 mm となり、2 年を超える耐用年数は現実的ではなくなります。

温度と濃度の影響を受けるエロージョン-コロージョン
温度は電気化学的分解と機械的皮膜のエロージョン{0}}腐食の弱体化を促進します。 5% NaOCl 中での流速 3.0 m/s におけるグレード 12 チタンのエロージョン-腐食速度は、30 度に比べて 40 度では 2 倍になります (0.18 mm/年から 0.35 mm/年)。温度を 40 度から 50 度に上げると、その速度はさらに 1.8 倍に増加します (年間 0.35 mm から 0.63 mm)。次亜塩素酸ナトリウムは 50 度を超えると熱的に不安定になり、酸素の発生とともに急速に塩素酸塩と塩化物に分解します。分解生成物には、溶液を局所的に酸性化し、チタンの溶解を促進する塩酸が含まれます。これらの理由により、選択した材料に関係なく、NaOCl を 50 度以上に加熱することは一般的に推奨されません。

次亜塩素酸塩の濃度も侵食-の速度に影響します。有効塩素が 2.5 m/秒、40 度で 2% から 5% に増加すると、侵食-腐食速度は 2 倍になります (年間 0.08 mm から 0.15 mm)。 3 倍 [5% から 10%] では、ペースが増加します (年間 0.15 から 0.45 mm)。この結果は、不動態皮膜が破壊されると、酸化剤濃度が高くなることで電気化学的溶解の推進力が増大するためです。濃 NaOCl 溶液 (平均市販漂白剤 12-15% 有効塩素) の場合、エロージョン・コロージョンに対する制限は厳しくなり、グレード 12 の推奨最大流速は 1.5 m/s です。

NaOCl 加熱コイルのマトリックス流速の選択
以下の表は、有効塩素濃度、動作温度、および溶液が清澄であるか懸濁固体があるかに応じて、次亜塩素酸ナトリウムサービス用のチタン グレード 12 加熱コイルを指定するエンジニア向けの設計ガイダンスを提供します。

使用条件 NaOCl 濃度 (% 有効 Cl₂) 温度 (度)推奨流速 (m/s) 予想される浸食-腐食速度 (mm/年) チューブ寿命の推定値 (壁厚 1.65 mm)
漂白剤保管、清澄加熱 (固形物なし) 5-6 % 30-35 度 2.5 m/s 0.08-0.12 mm/y 10-15 年
浄化された漂白剤保管庫の加熱 5-6% 40-45 度 2.0 m/s 0.05-0.08 mm/yr 15-20 年
貯蔵漂白剤の加熱 10 ～ 12% 30 ～ 35 度 1.8 m/s 0.10 ～ 0.15 mm/年 8 ～ 12 年
パルプ工場からの漂白プラント (ろ過) 3-4% 40-45 度 2.2 m/s 0.08-0.10 mm/y 12-15 年
パルプ工場漂白プラント (ろ過されていない、微量繊維) 3-4 % 40-45 度 1.5 m/s 0.15-0.25 mm/yr 5-8 年
廃水消毒 (二次排水、浮遊粒子) 0.5 ～ 1% 25 ～ 30 度 1.2 m/秒 0.10 ～ 0.20 mm/年 6 ～ 10 年
化学プロセス ヒーター (クリーン、抑制された NaOCl) 8 ～ 10% 45 ～ 50 度 1.2 m/秒 0.20 ～ 0.35 mm/年 3 ～ 5 年
Any service containing abrasive particles >50 ppmAny Any Max 1.0 m/s Variable, generally >0.5mm/年<3 years
速度制御コイルの設計アプローチ
加熱コイルを使用するアプリケーションでは、流速はコイル全体にわたって一定のパラメーターではありません。速度は、より小さい直径のチューブおよびコイルの入口近くで最大になります。エロージョン・コロージョンを制御するための設計戦略には、所定の体積流量の速度を下げるために大きなチューブ直径（外径 25-32 mm）を使用すること、より均一な流れ分布を達成するためにコイルを水平ではなく垂直に向けること、乱流ジェットを分散するためにコイル入口に整流器またはディフューザーを追加することが含まれます。 2.5 m/s を超える速度が避けられない用途では、--たとえば、既存の高速配管に接続されたワンスルー ヒーターの場合、肉厚のチューブ (2.5 ～ 3.0 mm) を使用すると追加の腐食代が得られますが、肉厚が薄くなるにつれてエロージョンコロージョンが加速し、断面積が減少することで局所的な速度が増加するため、関係は線形ではありません。

バイパス流構成は、ヒーターを通る全流量の一部のみを迂回させ、主流はバイパスします。バイパス流の配置により、熱伝達を低下させることなくチューブ側の速度を下げることができます-。あるいは、流れが複数の並列コイルに分割され、各コイルの速度が低下します。新規設置の場合、速度が 2 m/秒に近づくことが予想される場合、個々の配管構成の数値流体力学 (CFD) シミュレーションをお勧めします。

NaOCl ヒーター仕様の概要
次亜塩素酸ナトリウムのサービスにおけるグレード 12 のチタン製加熱コイルの場合、流速が 2 m/s を超えると、検出可能な浸食-速度が発生し、速度、温度、濃度、浮遊粒子の増加とともに急速に増加します。 40度で精製された5% NaOClの最高安全速度は2.5 m/sであり、許容できる材料損失率は年間0.1 mm、壁厚1.65 mmでチューブの寿命は10-15年となります。 10 ～ 12% NaOCl または温度が 45 度を超える場合、最大安全速度は 1.5 ～ 1.8 m/s に低下します。ろ過されていないプロセスストリームまたは研磨粒子を含むあらゆるサービスの場合、速度は 1.5 m/s 未満、できれば 1.0 m/s 未満でなければなりません。グレード 12 の加熱コイルを指定する場合、エンジニアは推定流速 (または体積流量とチューブの寸法)、有効塩素の濃度、動作温度、および浮遊粒子負荷の推定値をサプライヤーに提供する必要があります。この知識を使用して、エロージョン・コロージョン速度が許容範囲内になるように、正しいチューブの直径、壁の厚さ、コイルの配置を決定できます。 2.5 m/s を超える継続的な速度の場合は、グレード 7 チタン (同様の耐エロージョン/コロージョン耐性を持つ) やライニングされた炭素鋼などの他の材料を考慮する必要があります。グレード 12 では、高速の次亜塩素酸塩の流れの下では期待される寿命が得られません。