Dans un radiateur électrique en titane utilisé pour maintenir une boue de bicarbonate de sodium à 20 % à 60 degrés, pourquoi le radiateur tombe-t-il en panne plus rapidement par abrasion des cristaux de bicarbonate que par corrosion électrochimique ?

En chauffant la solution, des cristaux de bicarbonate précipitent. Il s'agit d'une bouillie de 20 % de bicarbonate de sodium (NaHCO3) à 60 °C. La dureté Mohs de ces cristaux est de 2,5 à 3,0, ce qui est légèrement inférieur à la dureté du titane, de 3,5 à 4,0. Mais les cristaux provoquent une usure abrasive dans des conditions d’écoulement. Ce taux d'abrasion est de 0,2 à 0,5 mm an^-1, ce qui est un ordre de grandeur supérieur au taux de corrosion électrochimique de 0,01 à 0,05 mm an^-1, et le mécanisme de défaillance est dominé par l'abrasion. L'impact des cristaux sur la surface du titane enlève mécaniquement le film passif et le métal en dessous.

Mécanismes de rupture des bouillies de bicarbonate par abrasion

La solubilité décroissante de NaHCO₃ provoque la cristallisation du bicarbonate de sodium avec l’augmentation de la température. Les cristaux sont tranchants-et anguleux. La vitesse d'écoulement de la boue contenant les cristaux à la surface du réchauffeur était de 0,5 à 2 m/s. "Chaque coup enlève un petit volume de matière par micro-coupe et labour. Puisqu'il n'y a pas de revêtement passif (il est continuellement éliminé), la corrosion électrochimique joue un rôle mineur dans la perte totale de matière. Le taux d'usure suit la loi d'Archard : volume d'usure ∝ (charge × distance de glissement)/dureté.

Corrosion électrochimique vs abrasion quantitative

Il a été démontré, lors de tests contrôlés de plus de 500 heures dans une suspension à 20 % de NaHCO3 à 60 degrés et à une vitesse d'écoulement de 2 m/s, que le titane de grade 2 présente les éléments suivants. Le taux de corrosion électrochimique à lui seul (dans un fluide stationnaire sans particules-) est de 0,01 à 0,05 mm par an, ce qui représente 5 à 10 % de la défaillance globale. La rupture est due à 60 à 75 % de l’impact des cristaux avec un taux d’abrasion de 0,15 à 0,35 mm/an. La synergie de corrosion par érosion (abrasion et corrosion combinées) est de 0,05 à 0,15 mm/an et représente 15 à 30 % de la défaillance totale. La perte totale de matière est de 0,25 à 0,55 mm par an, l'abrasion étant le processus principal.

Effets de la concentration de solides et de la vitesse d'écoulement sur le taux d'abrasion

La concentration de solides et la vitesse d'écoulement augmentent le taux d'abrasion. Taux d'abrasion à 10 % de solides et 1 m/s 0,08 à 0,15 mm par an Perte totale de matière 0,12 à 0,22 mm par an Le taux d'abrasion est de 0,12 à 0,25 mm/an à 20 % de solides et 1 m/s, tandis que la perte totale est de 0,18 à 0,35 mm/an. À 20 % de solides et 2 m/sec, le taux d'abrasion est de 0,20 à 0,40 mm/an et la perte totale est de 0,25 à 0,55 mm/an. À 30 % de solides et 2 m/s, le taux d'abrasion est de 0,30 à 0,55 mm/an et la perte totale est de 0,40 à 0,70 mm/an. À 20 % de solides et 3 m/s, le taux d'abrasion est de 0,35 à 0,65 mm/an et la perte totale est de 0,45 à 0,80 mm/an.

Protection contre l'abrasion pour les réchauffeurs de lisier au bicarbonate : un guide

Les recommandations pour protéger les éléments chauffants en titane de grade 2 dans une suspension de bicarbonate de sodium à 20 % à 60 degrés sont données dans le tableau ci-dessous.

Condition de la boue Vitesse d'écoulement (m/s) Taux d'abrasion (mm/an) Perte totale de matériau, mm/an Durée de vie de protection recommandée (paroi de 1,5 mm)
Faible teneur en solides (<10%) <1 0.08–0.15 0.12–0.22None 5-8 Years
Solides modérés (10 à 20 %)<1 0.12–0.25 0.18–0.35 Coated with TiN 3–5 years
Solides modérés (10-20 %)1–2 0.20–0.40 0.25–0,55 Usure du manchon, remplaçable. 2-3 ans
Haute teneur en solides (20–30 %) 1–2 0.30–0.55 0.40–0,70 Vitesse réduite + revêtement 1–2 ans
High solids (>20%) > 2 > 0,35 > 0,45 Processus de refonte < 1 an
L'ingénierie bien plus que la protection contre l'abrasion

La qualité du titane a peu d’effet sur sa résistance à l’abrasion. Les grades 2, 7 et 12 sont équivalents en dureté. L'épaisseur de la paroi offre une tolérance à l'usure. Un mur de 2,0 mm avec une abrasion de 0,30 mm par an durera 6 à 7 ans. La couche de nitrure de titane (TiN) déposée par dépôt physique en phase vapeur a une dureté de 2 000 HV et réduit l'abrasion de 70 à 80 %. Il peut s'agir d'un manchon d'usure de remplacement et être en acier inoxydable trempé ou en céramique. En modifiant la vitesse de la pompe ou en ajoutant des chicanes, la vitesse d'écoulement peut être réduite, ce qui diminue le taux d'abrasion. Un hydrocyclone peut éliminer les cristaux de la boue avant qu'elle ne soit acheminée vers le réchauffeur.

Fournir une spécification éclairée

Pour un radiateur électrique en titane dans une suspension de bicarbonate de sodium à 20 % à 60 degrés, la vitesse d'écoulement doit être limitée à moins de 1 m/s afin de maintenir le taux d'abrasion inférieur à 0,15 mm/an. Lorsque des vitesses d'écoulement plus élevées ne peuvent être évitées, spécifiez un revêtement TiN (épaisseur de 5 µm) ou un manchon d'usure remplaçable. Pour les nouvelles installations, le réservoir doit disposer d'une chambre de chauffage séparée sans recirculation des lisiers. Surveiller le chauffage pour l'amincissement par mesure d'épaisseur par ultrasons tous les 6 mois de fonctionnement. Si le taux d'érosion est supérieur à 0,2 mm par an, ajoutez un redresseur de débit ou réduisez la vitesse de la pompe. L'abrasion est contrôlée par l'ingénieur comme mécanisme de défaillance majeur pour augmenter la durée de vie des réchauffeurs en titane dans le service de boue de bicarbonate de sodium.