Pour une paroi PFA d'une épaisseur de 1 mm en service de boue abrasive à 1,5 m/s, la taille de particule maximale autorisée pour éviter les piqûres (érosion localisée plus profonde que 0,1 mm/an) est de 150 à 200 µm pour les particules dures (silice, alumine, Mohs 7-9) et de 300 à 400 µm pour les particules molles (carbonate de calcium, billes de polymère, Mohs 3-4). Les particules plus grosses provoquent des piqûres car leur énergie d'impact (E ∝ d³ × v²) dépasse le seuil critique pour le rendement du PFA. Une particule de silice de 300 µm à 1,5 m/s génère une énergie d'impact d'environ 0,5 µJ, suffisante pour créer un micro-cratère (5 à 10 µm de profondeur) sur la surface du PFA. Des impacts répétés agrandissent le cratère en une fosse. Pour un mur de 1 mm, des piqûres plus profondes que 0,3 mm (30 % de l'épaisseur) réduisent considérablement la durée de vie. Pour éviter les piqûres, limitez la taille des particules à<200 µm for hard abrasives, or reduce velocity to <1.0 m/s.
Énergie d’impact et seuil de piqûre
La taille critique des particules d_crit est dérivée du modèle d'érosion : d_crit ∝ (H_PFA / (ρ_p × v²))^(1/3), où H_PFA est la dureté (≈ 65 Shore D, ≈ 20 MPa d'indentation). Pour la silice (ρ=2,650 kg/m³), v=1.5 m/s, d_crit ≈ 180 µm.
Les particules plus grosses provoquent des piqûres car :
Ils ont une énergie cinétique plus élevée (échelles avec d³)
Ils créent une indentation plus profonde (échelles avec d)
Ils ont tendance à avoir un impact à des angles plus élevés (moins de rotation)
Pour un mur de 1 mm, une profondeur de creux de 0,3 mm réduit l'épaisseur restante à 0,7 mm – ce qui reste acceptable. Mais les fosses agissent comme des concentrateurs de stress. Une fois les piqûres commencées, le taux d’érosion s’accélère localement.
Limites de taille des particules par matériau
| Matériau particulaire | Dureté (Mohs) | Densité (kg/m³) | Taille maximale pour un mur de 1 mm (µm) à 1,5 m/s | Profondeur de fosse prévue (µm/an) | Recommandation |
|---|---|---|---|---|---|
| Sable de silice | 7 | 2,650 | 150–180 | 30–50 | Acceptable |
| Alumine | 9 | 3,900 | 100–130 | 50–80 | Marginal |
| Carbure de silicium | 9.5 | 3,200 | 80–100 | 80–120 | Non recommandé |
| Perles de verre | 5.5 | 2,500 | 250–300 | 10–20 | Sûr |
| Calcaire (CaCO₃) | 3 | 2,700 | 350–400 | 5–15 | Sûr |
| Granulés de polymère (PEHD) | 1–2 | 950 | >1,000 | <5 | Sûr |
| Fines métalliques (acier) | 5 | 7,800 | 150–200 | 20–40 | Acceptable |
| Cendres volantes | 5–6 | 2,200 | 200–250 | 15–30 | Acceptable |
Influence de la vitesse sur la taille critique des particules
| Vitesse (m/s) | Critique d pour la silice (µm) | Profondeur de la fosse (µm/an) à d=200 µm | Remarques |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 400 | <5 | Sûr (pas de piqûre) |
| 1.0 | 250 | 10–20 | Acceptable |
| 1.5 | 180 | 30–50 | Marginal pour paroi mince |
| 2.0 | 120 | 80–120 | Risque élevé pour un mur de 1 mm |
| 2.5 | 90 | 150–200 | Inacceptable |
| 3.0 | 70 | 250–300 | Échec rapide |
Guide pratique pour mur PFA 1 mm
| Exigence de service | Taille maximale des particules | Vitesse maximale | Durée de vie prévue (années) |
|---|---|---|---|
| Particules dures (silice, alumine) | <150 µm | 1.5 m/s | 1–2 |
| Particules dures | <100 µm | 2.0 m/s | 1–2 |
| Particules dures | <200 µm | 1.0 m/s | 2–3 |
| Particules molles (calcaire, verre) | <400 µm | 1.5 m/s | 3–5 |
| Toutes les particules | N/A | <0.5 m/s | 5–10 (érosion négligeable) |
Exemple de champ
A mining slurry contained 250 µm silica sand at 1.5 m/s. A 1 mm PFA wall heater developed pits (0.4 mm deep) after 8 months, leading to perforation at a pit. The plant installed a 2 mm wall heater (same slurry). Pitting depth was 0.2 mm after 18 months (still safe). The plant also installed a hydrocyclone to remove particles >150 µm. Le radiateur mural de 1 mm a ensuite duré 3 ans.
Détection des piqûres
Inspectez la surface du radiateur avec une loupe (10–20×). Les fosses apparaissent sous la forme de petits cratères (0,2 à 1 mm de diamètre). Mesurez la profondeur de la fosse avec une jauge de profondeur ou à l'aide d'une aiguille fine. Si la profondeur de la fosse dépasse 0,3 mm sur un mur de 1 mm, prévoir le remplacement dans les 6 mois. Si plusieurs piqûres dépassent 0,5 mm, remplacez-les immédiatement.
Atténuation des particules surdimensionnées
Installer un écran ou un filtre upstream to remove particles >200 µm.
Réduire la vitesse d'écoulementde 20 à 30 % (l'érosion diminue de 50 à 70 %).
Utiliser un mur plus épais(2–3 mm) – permet des fosses plus profondes avant la perforation.
Utiliser un manchon d'usure(PTFE, 1-2 mm) qui peut être remplacé (voir article #64).
Conclusion : pour une paroi de 1 mm à 1,5 m/s, taille de particule maximale inférieure ou égale à 150–200 µm pour les abrasifs durs
Pour un réchauffeur PFA avec une paroi de 1 mm d'épaisseur dans une suspension abrasive à 1,5 m/s, la taille maximale autorisée des particules pour éviter les piqûres est de 150 à 200 µm pour les particules dures (silice, alumine) et de 300 à 400 µm pour les particules molles (calcaire, verre). Les particules plus grosses provoquent des cratères d'impact (puits) qui s'approfondissent avec le temps, perforant la fine paroi. Si les particules surdimensionnées ne peuvent pas être éliminées, augmentez l'épaisseur de la paroi à 2 à 3 mm, réduisez la vitesse ou installez un manchon d'usure. Un mur de 1 mm est délicat. Il ne peut pas résister aux grosses particules dures. La taille compte. Filtrez-les, ralentissez ou épaississez-les. La durée de vie de votre radiateur dépend du contrôle des particules. Mesurez votre boue, connaissez vos particules, concevez en conséquence. En service abrasif, les parois minces sont risquées. Les murs épais sont plus sûrs. Choisissez judicieusement.
