Ерозійне стоншення оболонок нагрівача PFA виникає, коли зважені тверді частинки в технологічній рідині впливають на поверхню полімеру з достатньою швидкістю. На відміну від хімічної деградації, ерозія видаляє матеріал механічно, поступово зменшуючи товщину стінки, створюючи локалізовані слабкі місця та, зрештою, оголюючи металеве ядро. Максимально допустима швидкість потоку залежить від розміру частинок, твердості частинок, концентрації частинок і кута удару. Для типових промислових рідин із завислими твердими речовинами (пісок, кристалізовані солі, дрібні метали, скляні кульки) швидкість ерозії PFA має степеневий закон: швидкість ерозії ∝ v^n, де n становить 2,5–3,5 для PFA. Збільшення швидкості вдвічі збільшує ерозію в 6–12 разів. Щоб підтримувати товщину стінки PFA 1,5 мм протягом 5 років (43 800 годин) з прийнятною кінцевою товщиною 0,5 мм (з допуском на ерозію 1,0 мм), максимально допустима швидкість потоку коливається від 0,8 м/с до 3,5 м/с залежно від характеристик частинок.
Механізми ерозії та пороги швидкості
Ерозія PFA відбувається за допомогою двох механізмів: мікро-різання (гострі частинки стирають поверхню) і втомне розтріскування (повторні удари, що спричиняють злиття мікро-тріщин). Для частинок розміром понад 100 мкм домінує мікро-різання; шкали швидкості ерозії з кінетичною енергією частинок (v²), помноженою на частоту удару (v), що дає залежність v³. Для частинок розміром менше 20 мкм механізмом ерозії є втома; масштаби швидкості приблизно v²·5. Критичний поріг швидкості-, нижче якого ерозія незначна-становить приблизно 0,5 м/с для гострих частинок (кремнеземний пісок, глинозем) і 1,0 м/с для округлих частинок (скляні кульки, полімерні гранули). Нижче цих порогів удари частинок не створюють достатньої напруги, щоб спричинити розрив полімерного ланцюга або видалення поверхні.
Експериментальні дані випробування циклу суспензії (ASTM G73) на зразках PFA під кутом 80 градусів забезпечують швидкість ерозії для поширених типів частинок. Для кремнеземного піску (середній діаметр 200 мкм, концентрація 5 г/л) при 1,5 м/с швидкість ерозії становить 0,008 мм/рік-незначна протягом 5 років. При 2,5 м/с швидкість зростає до 0,12 мм/рік, споживаючи 0,6 мм протягом 5 років-прийнятно з початковою стінкою 1,5 мм. При 3,5 м/с швидкість досягає 0,35 мм/рік, витрачаючи 1,75 мм протягом 5 років-перевищення стандартної товщини стінки. При 5,0 м/с швидкість становить 1,2 мм/рік, що спричиняє поломку протягом 1–2 років. Для твердіших часток (оксид алюмінію, 100 мкм, часто зустрічається в суспензіях CMP) швидкість ерозії за 2,0 м/с становить 0,25 мм/рік, витрачаючи 1,25 мм протягом 5 років-гранично. Максимально допустима швидкість для частинок оксиду алюмінію становить 1,5 м/с протягом 5 років життя.
Швидкість ерозії та максимальна швидкість за типом частинок
| Матеріал частинок | Розмір частинок (мкм) | Форма | Концентрація (г/л) | Швидкість ерозії при 2,0 м/с (мм/рік) | Максимальна швидкість для ерозії 1,0 мм протягом 5 років (м/с) | Допустима швидкість протягом 5 років життя з початковою стінкою 1,5 мм |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Кремнієвий пісок (кварцовий) | 50–100 | Під-кутовий | 1–5 | 0.04 | 3.5 | 3.0–3.5 m/s |
| Кремнієвий пісок | 100–300 | Під-кутовий | 5–10 | 0.12 | 2.8 | 2.5–3.0 m/s |
| Кремнієвий пісок | 300–500 | Кутова | 1–5 | 0.22 | 2.2 | 2.0–2.5 m/s |
| Глинозем (Al₂O₃) | 50–100 | Кутова | 1–10 | 0.25 | 1.8 | 1.5–2.0 m/s |
| Карбід кремнію (SiC) | 50–100 | Дуже незграбний | 0.5–2 | 0.45 | 1.4 | 1.2–1.5 m/s |
| Скляні намистини | 100–300 | Сферичний | 10–50 | 0.03 | 4.0 | 3.5–4.0 m/s |
| Кристалізована сіль (NaCl, KCl) | 200–500 | Кубічний | 1–20 | 0,02 (в насиченому розсолі) | 4.5 | 4.0–4.5 m/s |
| Металева дрібниця (сталь, латунь) | 50–150 | Нерегулярний | 0.1–1 | 0.08 | 3.0 | 2.5–3.0 m/s |
| Полімерні гранули (PTFE, PE) | 1,000–3,000 | Округлі | 100–500 | 0.005 | >5.0 | >5,0 м/с (без проблем ерозії) |
| Діоксид титану (TiO₂) | 0,2–0,5 мкм (агрегати) | Під-округлений | 10–50 | 0,01 (втомний механізм) | 4.0 | 3.5–4.0 m/s |
| Змішані тверді речовини (типовий гірничий шлам) | 100–500 | Від кутового до під-кутового | 100–500 | 0,35 (при 2 м/с) | 1.6 | 1.4–1.8 m/s |
Розрахунок і вимірювання швидкості потоку
Швидкість потоку бака через нагрівач - це не просто об’ємна швидкість циркуляції від насоса. Локальна швидкість на поверхні нагрівача може бути в 2–5 разів вищою за середню швидкість бака через звуження потоку. У баку з рециркуляційним насосом із потужністю 500 л/хв (0,0083 м³/с) і площею поперечного-перерізу навколо нагрівача 0,01 м² (типово для нагрівача 25 мм у баку шириною 150 мм) середня швидкість становить 0,83 м/с. Проте швидкість на передній поверхні нагрівача може досягати 1,5–2,5 м/с завдяки ефекту Бернуллі. Інженери повинні або розташувати нагрівачі подалі від випускних сопел насоса (мінімальна відстань 10 × діаметр сопла), або використовувати обчислювальну гідродинаміку (CFD) для прогнозування локальних швидкостей. Для критичного обслуговування гною встановіть тестовий зразок PFA паралельно з нагрівачем і виміряйте втрату товщини через 1000 годин, щоб відкалібрувати швидкість ерозії відповідно до фактичних умов.
Для існуючих установок ерозійне стоншення можна виявити за допомогою ультразвукового вимірювання товщини. Щороку вимірюйте товщину стінки PFA у шести точках по колу та в п’яти точках по довжині. Швидкість розрідження, що перевищує 0,1 мм/рік, вимагає дій: зменшіть потік насоса, встановіть дефлектор потоку або замініть нагрівач на більш товсту -конструкцію стінки (початкова товщина 2,5–3,0 мм). Припуск на ерозію масштабується з початковою товщиною стінки; стінка товщиною 2,5 мм допускає ерозію до 2,0 мм протягом 5 років, збільшуючи допустиму швидкість на 20–40% порівняно зі стінкою 1,5 мм. У важких умовах роботи з шламом (видобуток, виробництво пігменту) стандартною практикою є вказівка товщини стінки PFA 3,0 мм незалежно від розрахункової швидкості.
Зміни конструкції для зменшення ерозії
Коли розраховані швидкості потоку перевищують допустиму межу, чотири модифікації конструкції зменшують ерозію без зменшення потоку процесу. Спочатку встановіть екран потоку-перфоровану металеву або PFA пластину, розміщену на 20–50 мм перед нагрівачем. Щит поглинає удари частинок, утворюючи за собою низьку-швидкість. По-друге, розташуйте нагрівач паралельно напрямку основного потоку, а не перпендикулярно. Паралельна орієнтація зменшує кут зіткнення з 90 градусів (максимальна ерозія) майже до 0 градусів (мінімальна ерозія). Швидкість ерозії при зіткненні під кутом 15 градусів становить 5–10% від швидкості під кутом 90 градусів. По-третє, використовуйте краплеподібний або еліптичний-переріз, а не круглий обігрівач. Обтічна форма зменшує локальне прискорення швидкості та відхиляє частинки під малими кутами. По-четверте, встановіть нагрівач у бічний рукав або контур рециркуляції, де швидкість можна контролювати незалежно, а не в основному баку.
Висновок: 2,0–2,5 м/с є типовим максимумом для піщаного шламу
Максимально допустима швидкість потоку резервуара через нагрівач PFA, щоб уникнути ерозійного розрідження протягом 5 років, коливається від 1,5 м/с для твердих незграбних частинок (оксид алюмінію, карбід кремнію) до 4,0 м/с для м’яких або округлих частинок (скляні кульки, полімерні гранули, кристали солі). Для найбільш поширених ерозійних середовищ-кремнеземний пісок у воді з концентраціями 1–10 г/л-допустима швидкість становить 2,5–3,0 м/с для товщини стінки 1,5 мм. Інженери повинні вимірювати місцеві швидкості за допомогою трубок Піто або ультразвукових витратомірів у місці розташування нагрівача, а не покладатися на об’ємну швидкість потоку. Для будь-якого застосування, де розрахований припуск на ерозію перевищує 0,8 мм протягом бажаного терміну служби, збільште товщину стінки до 2,5–3,0 мм, зменшіть швидкість потоку або застосуйте захист від потоку. Вартість товстої оболонки з ПФА (преміум на 20–40%) зазвичай нижча, ніж вартість зменшення витрати насоса або додаткових модифікацій бака. Щорічний ультразвуковий моніторинг товщини забезпечує раннє попередження про несподівану ерозію та дозволяє передбачити заміну до того, як станеться катастрофічна несправність.
