Dans une suspension à 20 % de bicarbonate de sodium (NaHCO₃) à 60 degrés, des cristaux de bicarbonate précipitent lorsque la solution est chauffée. Ces cristaux ont une dureté Mohs de 2,5 à 3,0, ce qui est légèrement inférieur à la dureté du titane de 3,5 à 4,0. Cependant, dans des conditions d'écoulement, les cristaux provoquent une usure abrasive. Le taux d’abrasion de 0,2 à 0,5 mm par an dépasse le taux de corrosion électrochimique de 0,01 à 0,05 mm par an d’un facteur 10 à 20, faisant de l’abrasion le mécanisme de défaillance dominant. Les cristaux impactent la surface du titane, éliminant mécaniquement le film passif et le métal sous-jacent.

Le mécanisme d'abrasion-Défaillance dominée par les boues de bicarbonate

Le bicarbonate de sodium cristallise à mesure que la température augmente en raison de la solubilité inverse de NaHCO₃. Les cristaux sont tranchants-et anguleux. Dans une boue fluide, les cristaux heurtent la surface du réchauffeur à des vitesses de 0,5 à 2 m/s. Chaque impact supprime un petit volume de matière grâce à la micro-coupe et au labour. L'absence de film passif (il est continuellement éliminé) signifie que la corrosion électrochimique contribue peu à la perte totale de matière. Le taux d'usure suit la loi d'Archard : volume d'usure ∝ (charge × distance de glissement)/dureté.

Abrasion quantitative vs corrosion électrochimique

Des tests contrôlés dans une suspension de NaHCO₃ à 20 % à 60 degrés avec une vitesse d'écoulement de 2 m/s sur 500 heures ont établi ce qui suit pour le titane de grade 2. Le taux de corrosion électrochimique à lui seul (dans une solution stagnante et sans particules) est de 0,01 à 0,05 mm par an, contribuant à hauteur de 5 à 10 % à la défaillance totale. Le taux d'abrasion dû à l'impact des cristaux est de 0,15 à 0,35 mm par an, contribuant à 60 à 75 % de la défaillance totale. La synergie d'érosion-corrosion (l'effet combiné de l'abrasion et de la corrosion) est de 0,05 à 0,15 mm par an, contribuant à hauteur de 15 à 30 % à la défaillance totale. La perte totale de matière est de 0,25 à 0,55 mm par an, l'abrasion étant le mécanisme dominant.

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

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

Guide de protection contre l'abrasion pour les réchauffeurs de lisier au bicarbonate

Le tableau suivant fournit des recommandations pour protéger les éléments chauffants en titane de grade 2 dans une suspension de bicarbonate de sodium à 20 % à 60 degrés.

L'ingénierie au-delà de la protection contre l'abrasion

La qualité du titane n’affecte pas de manière significative la résistance à l’abrasion ; Les grades 2, 7 et 12 ont une dureté similaire. L'épaisseur de la paroi fournit une tolérance à l'usure ; un mur de 2,0 mm avec une abrasion de 0,30 mm par an dure 6 à 7 ans. Un revêtement de nitrure de titane (TiN) appliqué par dépôt physique en phase vapeur a une dureté de 2 000 HV et réduit l'abrasion de 70 à 80 %. Un manchon d'usure remplaçable en acier inoxydable trempé ou en céramique peut être utilisé. Réduire la vitesse d'écoulement en modifiant la vitesse de la pompe ou en ajoutant des chicanes réduit le taux d'abrasion. Un hydrocyclone peut éliminer les cristaux de la boue avant qu'elle n'atteigne le réchauffeur.

Faire une spécification éclairée

Pour un radiateur électrique en titane dans une suspension de bicarbonate de sodium à 20 % à 60 degrés, réduisez la vitesse d'écoulement en dessous de 1 m/s pour maintenir le taux d'abrasion en dessous de 0,15 mm par an. Si des vitesses d'écoulement plus élevées sont inévitables, spécifiez un revêtement TiN (épaisseur de 5 µm) ou un manchon d'usure remplaçable. Pour les nouvelles installations, concevoir le réservoir avec une chambre de chauffage séparée où le lisier n'est pas recirculé. Pendant le fonctionnement, surveillez l’amincissement du radiateur à l’aide d’une jauge d’épaisseur par ultrasons tous les 6 mois. Si le taux d'abrasion dépasse 0,2 mm par an, installer un redresseur de débit ou réduire la vitesse de la pompe. En contrôlant l'abrasion comme mécanisme de défaillance dominant, l'ingénieur prolonge la durée de vie des réchauffeurs en titane utilisés dans les boues de bicarbonate de sodium.