Dans une tige chauffante verticale en titane fonctionnant à 150 degrés dans une boue d'acide phosphorique, comment la profondeur d'immersion périodique (30 % contre . 70 %) modifie-t-elle l'emplacement de la profondeur maximale de la fosse ?

Dans les boues d'acide phosphorique – un mélange visqueux d'acide phosphorique (30-50 %), de gypse précipité (CaSO 4 .2H 2 O), de silice et de sulfates métalliques – les tiges chauffantes verticales en titane subissent une corrosion non-uniforme. Il est périodiquement rempli, drainé et décanté et le niveau des boues est variable. La position de la profondeur maximale de la fosse est déterminée par deux facteurs contradictoires, à savoir la profondeur d'immersion, c'est-à-dire la proportion de la longueur de la tige immergée dans la boue. À une immersion de 30 % (principalement exposée à la vapeur), les cellules de concentration en oxygène dominent et la profondeur maximale de la fosse se situe à l'interface boue-air (le ménisque). À 70 % de submersion (principalement immergée), l'accumulation de boues est le processus dominant et la profondeur maximale de la fosse se produit à la pointe inférieure, là où les matériaux déposés s'accumulent. Comprendre ce changement est essentiel pour planifier des inspections et une maintenance ciblées.

Le mécanisme de changement d’emplacement des fosses à mesure que la profondeur de submersion change

Si la tige est partiellement immergée (30%), la ligne de boues est proche de la partie supérieure de la tige. La fine pellicule de boue présente sur le ménisque s'évapore, concentrant l'acide phosphorique et les fluorures à des niveaux très élevés. L'aération différentielle transforme l'interface boues-air en un environnement de fissures très sévères et les piqûres commencent entre 200 et 500 heures. Avec 70 % de la tige immergée, la ligne de boue est proche du haut et le bas de la tige est en contact prolongé avec des particules de gypse décantées et de sulfate métallique. À la pointe, la corrosion sous-dépôt est dominante, générant des piqûres sous la couche de boue épaisse où l'oxygène est absent et où les chlorures ou fluorures se concentrent. Le taux de corrosion à la pointe est également augmenté par l'action galvanique entre les zones immergées et vapeur.

Répartition quantitative de la profondeur des fosses à différentes profondeurs de submersion

Des tests contrôlés ont été menés dans des boues d'acide phosphorique (40 % P2O5, 20 % de solides, 1 500 ppm de fluorure) à 150 degrés pendant 1 000 heures, montrant des distributions uniques de profondeur de fosse. À 30 % d'immersion (70 % de la tige dans la zone de vapeur), la profondeur maximale de la fosse est de 0,6 à 1,2 mm au niveau de la ligne de boue (ménisque à 30 % de la longueur à partir du fond). Des piqûres de moins de 0,1 mm sont observées dans la zone de vapeur au-dessus du ménisque et des piqûres de 0,2 à 0,4 mm sont observées à l'extrémité inférieure. À 50 % de submersion (immersion égale), une distribution bimodale est observée avec des piqûres de 0,4 à 0,8 mm au niveau de la ligne de boue et de la pointe inférieure. Pour une immersion de 70 % (30 % dans la zone de vapeur), la profondeur de fosse la plus élevée se situe à la pointe inférieure (0,8 à 1,5 mm), la ligne de boue montrant des fosses de 0,3 à 0,6 mm. À 100 % d'immersion (totalement immergée), les piqûres sont uniformément réparties sur la moitié inférieure avec des profondeurs de 0,5 à 1,0 mm et l'effet ménisque disparaît complètement.

Emplacement de la fosse influencé par le cycle de submersion et la composition des boues

La fréquence des cycles et la teneur en matières solides des boues influencent la zone de piqûres maximale. Le ménisque présente des creux de 0,8 à 1,2 mm avec une immersion constante de 30 % et 20 % de matières solides de boue avec 1 000 ppm de fluorure. Dans les mêmes conditions, avec une immersion constante de 70 %, la pointe inférieure présente des piqûres de 0,9 à 1,5 mm. Lors de cycles d'immersion quotidiens compris entre 30 et 70 %, le ménisque et la pointe inférieure sont fortement attaqués (profondeurs de fosses de 1,2 à 2,0 mm) aux deux endroits. Les piqûres à la pointe inférieure augmentent jusqu'à 1,5-2,5 mm à la concentration de solides la plus élevée (40 %) avec une immersion constante (70 %). Avec moins de solides (10 %) et une immersion constante de 30 %, les fosses du ménisque sont réduites à 0,3-0,6 mm car moins de boues s'accumulent à l'interface. L'effet de la concentration de fluorure sur les piqûres s'accélère en tout endroit et n'affecte pas l'emplacement de la profondeur maximale des piqûres pour un modèle de submersion particulier.

Contrôle de la profondeur de submersion pour contrôler l'emplacement de la fosse

Le tableau suivant contient des lignes directrices pour la régulation de la profondeur d'immersion afin de réguler l'emplacement des fosses et d'augmenter la durée de vie du réchauffeur dans les boues d'acide phosphorique à 150 C.

Profondeur d'immersion recommandée Justification de la stratégie de fonctionnementDurée de vie (paroi de 1,5 mm)
Immersion fixe à 100 % (entièrement immergée) Pas d'attaque du ménisque, corrosion uniformément répartie 1 à 2 ans
Immersion corrigée avec purge à 100 % des boues avec élimination des boues par le bas. Diminue la pointe inférieure en cas de-corrosion des dépôts 2 à 3 ans.
Drainage périodique completNe pas immerger partiellementLe drainage forme le ménisque. Garder immergé au moins 1 à 2 ans
Bas dans le réchauffeur de vapeur (inversé) Non recommandé Le ménisque se déplace vers le haut ; préjudice comparable<1 year
Rotation hebdomadaire du chauffage à 180 degrés Immersion tout dommage entre le ménisque et la pointe est 2 à 3 fois étendu
Ingénierie au-delà du contrôle de la submersion

La qualité du titane a un effet substantiel sur la vitesse de propagation des piqûres mais pas sur le site d'attaque maximale. Le grade 7 (palladium-stabilisé) améliore la propagation des fosses de 50-70 % au niveau des sites du ménisque et de la pointe inférieure. L'épaisseur de la paroi donne une marge de corrosion ; un mur de 2,5 mm avec des piqûres de 1,0 mm par an au pire endroit survivra 2,5 ans. Le niveau des boues doit être surveillé régulièrement ; un contrôleur de niveau pour maintenir l'immersion complète à tout moment élimine le ménisque. La purge périodique des boues (élimination régulière des solides déposés au fond) minimise la corrosion sous-dépôt à la pointe. Si une immersion partielle ne peut être évitée, un manchon PTFE est installé dans la zone ménisque prévue pour isoler le titane du film de boue concentrée.

Faire une spécification éclairée

Concevez un réservoir pour contenir une tige chauffante verticale en titane dans une boue d'acide phosphorique à 150 degrés et à 100 % d'immersion à tout moment. Installez un système de contrôle de niveau avec avertissement à 90 % d'immersion et coupure du chauffage-à 80 % pour éviter l'exposition du ménisque. Pour les réchauffeurs existants qui doivent fonctionner avec une immersion partielle, spécifiez du titane de grade 7 et un manchon rétractable en PTFE de 100 mm de longueur au niveau de la ligne de boue prévue. Une cartographie ultrasonique de l'épaisseur de la tige au niveau de la zone du ménisque et de l'extrémité inférieure doit être réalisée tous les trois mois pendant l'opération. Si la profondeur de la fosse est supérieure à 0,5 mm sur l'un ou l'autre site, faites pivoter le radiateur de 180 degrés (s'il est symétrique) ou remplacez-le. Sachant comment la profondeur d'immersion influence la position de la profondeur maximale de la fosse, l'ingénieur peut appliquer des procédures d'inspection et d'atténuation spécifiques aux réchauffeurs verticaux en titane dans les boues d'acide phosphorique.