肥料加熱における摩耗浸食の課題
90 度の尿素-硝酸アンモニウム（UAN）肥料溶液には、上流の炭素鋼設備の腐食による酸化鉄研磨剤（200-500 mg/L）が含まれています。これらの硬質粒子 (モース硬度 6 ～ 7) は、乱流条件 (Re 8000) の下で PFA ヒーターに浸食摩耗を引き起こします。 23 の肥料工場からの臨界壁厚の計算によると、酸化鉄研磨剤を使用すると、研磨剤なしのサービスと比較して必要な PFA 厚さが 50 ～ 100% 増加し、固形分 200 mg/L 負荷で 2.0mm 壁の持続時間が 20,000 時間であるのに対し、3.0mm 壁の持続時間はわずか 5000 時間であることが示されています。
酸化鉄研磨剤の特性
UAN 溶液中の酸化鉄粒子 (主に Fe₂O₃ と Fe₃O₄) は中央直径 20-50 μm、高硬度 (6-7 モース)、不規則な角度の形態を持っています。 5.2 g/cm3 の比重により、粒子壁衝突時に高い運動量が生成されます。 Re 8000 (2.5 m/s、チューブ直径 50 mm) では、30 µm の酸化鉄の粒子衝撃エネルギーは約 0.15 µJ であるのに対し、同等のサイズ (密度 2.65) のシリカの場合は 0.02 µJ です。より高い衝撃エネルギーにより、より深い浸透が生じ、材料の除去がより速くなります。粒子の形状も重要です。角張った酸化鉄の破片は切削摩耗を引き起こしますが、丸い粒子は変形摩耗を引き起こします。ほとんどの UAN システム粒子は、マグネタイト スケールの機械的破壊により半角状になります。
粒子濃度と壁厚に対する浸食速度の依存性
200 mg/L の酸化鉄を含む UAN 溶液を使用し、90 度、2.5 m/s、および 45 度の衝突角度で ASTM G73 に準拠した侵食試験を行ったところ、侵食速度は粒子濃度に比例し、速度の 2.5 乗に比例することがわかりました。標準 PFA (Shore D 65)、浸食速度、およびその結果として生じる壁貫通の場合:
| PFA 肉厚 (mm) | 200 mg/L Fe₂O₃ での浸食速度 (mm/1000 時間) | 50% の壁貫通までの時間 (時間) | 絶縁破壊までの時間 (残り 1.2mm、時間) |
|---|---|---|---|
| 1.5mm | 0.18 | 4,200 | 1,700 |
| 2.0mm | 0.18 | 5,600 | 4,400 |
| 2.5mm | 0.18 | 6,900 | 7,200 |
| 3.0mm | 0.18 | 8,300 | 10,000 |
壁の厚さが 1.5 mm 未満になるまで浸食速度はほぼ一定であり、その時点で応力集中により局所的な浸透が加速します。
浸食用途向けのより硬い PFA グレード
PFA の硬度を高めると、侵食速度が大幅に減少します。ガラス繊維-充填 PFA (Shore D 72) は、200 mg/L で 0.09 mm/1000 時間の浸食速度を示し、これは標準グレードの半分です。カーボンファイバー-充填 PFA (Shore D 75) により、速度が 0.06 mm/1000 時間に減少します。カーボン充填 PFA を使用した 3.0 mm 壁の場合、-50% 浸透までの時間は 25,000 時間を超えます。ただし、フィラーを添加すると、媒体によっては耐薬品性が低下します。 UAN 肥料（pH 6-7、30% 尿素、40% 硝酸アンモニウム）の場合、ガラス-充填 PFA は充填剤がポリマーでカプセル化されているため、化学的安定性を維持します。ガラス繊維を攻撃する可能性がある塩化物汚染が存在しない限り、UAN サービスにはガラス入り PFA を指定してください。
摩耗負荷による臨界肉厚
| 酸化鉄濃度(mg/L) | PFAグレード（ショアD） | 3 年間の寿命 (24,000 時間) の最小肉厚 | 5 年間の寿命 (40,000 時間) に対する最小肉厚 | 2.5mm 標準 PFA での実用寿命 (時間) |
|---|---|---|---|---|
| < 50 | 標準 (65) | 1.8mm | 2.2mm | 25,000+ |
| 50-100 | 標準 (65) | 2.2mm | 2.8mm | 18,000 |
| 100-200 | ガラス-入り (72) | 2.0mm | 2.5mm | 12,000 |
| 200-300 | ガラス-入り (72) | 2.5mm | 3.0mm | 8,000 |
| 300-500 | カーボン-充填 (75) | 2.2mm | 2.8mm | 5,000 |
流速と幾何学効果
Re 8000 (通常の 50 mm パイプで 2.5 m/s) は中程度の乱流を表します。速度が高くなると、侵食が大幅に増加します。 3.5 m/s (Re 11,000) では、すべての PFA グレードで浸食速度が 2 倍になります。 1.8 m/s (Re 5,500) では、侵食速度は 60% 減少します。可変流量の UAN システムの場合は、粒子の懸濁を維持する実用的な最低速度 (通常、30 µm の粒子の場合 1.5-2.0 m/s) に合わせてヒーターを設計します。ヒーターの形状も浸食に影響します。千鳥状に配置された管束は、一列に配置されたものと比較して、局所的な速度と粒子の衝突角度が高くなります。-。特定のヒーター形状の数値流体力学モデリングにより、より厚い壁や交換スケジュールが必要な高摩耗ゾーンを特定できます。
浸食許容量と検査間隔
侵食 UAN サービスの PFA ヒーターの場合は、侵食許容値 (初期値から最小値を引いた値) を侵食速度で割った値に基づいて初期壁厚を指定します。 230V サービスの場合、最小誘電体壁の厚さは 1.2mm です。 200 mg/L、0.09 mm/1000 時間の浸食速度のガラス充填 PFA の場合、3.0 mm の初期壁により 1.8 mm の浸食許容量が得られ、最小値に達するまでに 20,000 時間（2.5 年）が与えられます。超音波ゲージを使用した毎年の壁厚測定により、予測交換が可能になります。速度 0.18 mm/1000 時間の標準 PFA の場合、2 年で 1.6 mm の壁の損失が発生するため、年に 1 回の超音波検査が必須です。オフラインの清掃サイクル (年次シャットダウン) を行う施設では、計画された間隔で 2 倍の浸食許容量を提供する壁の厚さを指定する必要があります。
UAN 肥料ヒーターの仕様ガイダンス
100 mg/L を超える酸化鉄研磨剤を含む加熱 UAN 肥料溶液の場合は、(1.5 mm 分 + 浸食許容値) として計算される壁厚を持つガラス繊維充填 PFA (ショア D 72 最小) を指定してください。{1} 200 mg/L および 3 年間の連続運転の場合、年に一度の壁厚検証で初期厚さ 2.8 mm を指定します。標準研磨材 (Al₂O₃) を使用し、相対的な硬度と密度に基づいて酸化鉄相当物に換算した場合、ASTM G75 に基づく耐摩耗性のサプライヤー認証が必要です。さまざまな研磨剤負荷（例: 50-300 mg/L）を使用するシステムの場合は、磁気濾過を設置して酸化鉄濃度を低減し、壁を薄くして寿命を長くすることができます。お見積りの際は、想定される酸化鉄濃度範囲、流速、配管径、ご希望の交換時期をお知らせください。スラリー加熱の経験を持つサプライヤーは、顧客が提供した UAN サンプルを使用して浸食試験を提供し、正確な粒径分布と化学的性質に関する特定の摩耗率データを生成できます。ガラス充填 PFA の標準 (20 ～ 30%) に対する割増は、侵食性 UAN サービスにおける耐用年数が 2 ～ 3 倍長いことで正当化されます。UAN では、肥料のピーク期に計画外にヒーターが故障すると、1 時間あたり 10,000 ～ 30,000 ドルの生産損失が発生します。新しい UAN 生産施設の場合は、酸化鉄の生成を削減するために炭素鋼パイプのコーティングまたは上流の磁気濾過を指定し、コストを最適化するために壁 2.5 mm の標準 PFA を使用します。
