Kakšna debelina stene je potrebna za odpornost proti koroziji špranj pod teflonskim tesnilom za titanovo grelno cev, ki deluje v visoko{0}}avtoklavu s 5 % ocetno kislino in 200 ppm klorida pri 250 stopinjah?
Pustite sporočilo
Ključni kompromisi-pri oblikovanju grelnikov iz titana za visoko{1}}temperaturne avtoklave
200 ppm klorida in 5 % ocetne kisline pri 250 stopinjah v visokotlačnih avtoklavih je težko okolje za titan. Titan je običajno odporen na ocetno kislino, vendar je kombinacija visoke temperature, kloridov in tesnila iz teflona (PTFE) velika nevarnost za nastanek korozije. PTFE tesnilo, ki tesni prodor grelnika skozi glavo avtoklava, ustvari tesno režo na vmesniku tesnila-titanovega plašča. V tej razpoki se zaradi hidrolize titanovega klorida izgubi kisik, koncentrirajo se kloridi, pH pa se lokalno zniža. Kritična temperatura reže (CCT) titana stopnje 2 v kloridnih raztopinah je običajno 70–80 stopinj. Pri 250 stopinjah je titan veliko nad svojo CCT in špranjska korozija se bo začela hitro, razen če se spremeni geometrija špranje ali titan legira. Začetka ne prepreči čas do perforacije po tem, ko je špranjska korozija že odvisna od debeline stene. Ta raziskava ocenjuje potrebno debelino stene za sprejemljivo življenjsko dobo v neizogibnih situacijah razpok.
Kinetika režne korozije pri 250 stopinjah: Posledice za mehansko celovitost
Pasivna prevleka na titanu stopnje 2 je termodinamično nestabilna v prisotnosti kloridov pri 250 stopinjah, tudi če ni razpok. Enakomerna stopnja korozije v 5 % ocetni kislini z 200 ppm Cl- pri 250 stopinjah je približno 0,1–0,2 mm/leto. Vendar pa je hitrost režne korozije 10–50-krat večja pod tesnilom iz PTFE. Elektrokemični testi pri simuliranih pogojih v avtoklavu kažejo stopnje rasti rež 2–5 mm/leto. Za steno 1,0 mm to napoveduje perforacijo v 2,5–6 mesecih. 2.0 mm stene: perforacija v 5–12 mesecih. Perforacija stene 3,0 mm 7-18 mesecev. Velika širina je posledica heterogenosti v stiskanju tesnila, površinski obdelavi in koncentraciji kisika. Pomembno je, da je povezava v bistvu linearna: podvojitev debeline stene podvoji čas perforacije. Za razliko od pasivne korozije, pri kateri lahko koristi debelejših sten eksponentno narastejo, razpokana korozija pri 250 stopinjah kaže linearno kinetiko zaradi nezmožnosti oblikovanja stabilnega pasivnega premaza, ki bi zaustavil napad.
Do okvare pride na vmesniku tesnila-ohišja, običajno 5–10 mm od roba tesnila. Po začetku se korozija hitro razvije. Grelec odpove zaradi puščanja na preboju in ne zaradi perforacije potopljenega dela. Pregled po-okvari kaže utor-ostrega roba pod tesnilom.
Vpliv na toplotno zmogljivost: temperaturni gradient in degradacija tesnila
Toplotni gradient čez steno iz titana na mestu tesnila je majhen, saj je tesnilo običajno nameščeno na hladnem koncu grelnika (nad ogrevano cono). Vendar pa toplota, ki se prenaša po plašču, poveča temperaturo tesnila. Za avtoklav pri 250 stopinjah je lahko temperatura območja tesnila 150–200 stopinj, odvisno od debeline stene in dolžine neogrevanega dela. PTFE se razgradi nad 260 stopinj, vendar se okoli 200 stopinj zmehča in zleze, kar poveča stiskanje na tesnilo in zmanjša vrzel. Plitka razpoka (< 0.05 mm) increases the crevice corrosion because the diffusion of the oxygen is totally prevented. Thicker wall is more conductive for heat transfer to the gasket (lower thermal resistance per unit length). This may result in a 10-20°C increase in gasket temp for a 2.0 mm wall over a 1.0 mm wall. The increase in temperature brings an increase in PTFE creep and crevice corrosion kinetics which partly offsets the benefit of the increased wall thickness.
Kompromis-sinteze: debelina stene za 1 leto življenjske dobe
Debelina stene (mm) Predvidena stopnja korozije špranj (mm/leto pri 250 stopinjah) Čas do perforacije (meseci) Temperatura tesnila (stopinj) Priporočeno za 1-letno življenjsko dobo?
1,0 mm 3,5 mm/leto (tipično) 3,5 meseca 180 stopinj Ne
1,5 mm 3,5 mm/leto 5 mesecev 185 stopinj št
2,0 mm 3,5 mm/leto 7 mesecev 190 stopinj Ne (prekinitve pred 12 meseci)
2,5 mm 3,5 mm/leto 8,5 mesecev 195 stopinj št
3,0 mm 3,5 mm/leto 10 mesecev 200 stopinj Marginalno (morda ne doseže 12 mesecev)
4,0 mm 3,5 mm/leto 13,5 mesecev 210 stopinj Da (nevarnost poslabšanja PTFE)
Podatki kažejo, da tudi stena debeline 4,0 mm ne bo zdržala več kot 13,5 mesecev pri stopnji korozije 3,5 mm/leto in temperatura tesnila (210 stopinj ) presega najvišjo priporočeno vrednost za PTFE (200 stopinj neprekinjeno). Samo na debelino stene se ni mogoče zanesti, da bo zagotovila 1-letno življenjsko dobo v agresivnih pogojih špranj.
Inženiring onstran zidu: Odprava rež in nadgradnja zlitine
Ker debelina stene samo linearno izboljša življenjsko dobo špranjske korozije, je treba inženirski poudarek dati preprečevanju nastanka špranj ali nadgradnji titanove zlitine. Najprej se PTFE tesnilo zamenja z varjenim spojem-na-prirobnico iz titana, ki odpravi razpoko. Privarjeno tesnilo (npr. cev iz titana, privarjena na glavo avtoklava) odstrani vmesnik tesnila-oplašča, ki je mesto korozije. Drugič, kritična temperatura reže se dvigne na ~150 stopinj, ko je titan nadgrajen iz razreda 2 v razred 7 (Ti-0,15 % Pd). Pri 250 stopinjah Grade 7 še vedno korodira, vendar pri 0,5-1,0 mm na leto ali 3-7-krat počasneje kot Grade 2. Življenjska doba cevi Grade 7 z debelino stene 2,0 mm je 2-4 leta. Tretjič, na titanov plašč v območju tesnila je bil nanešen PTFE toplotno skrčljiv tulec. Tulec služi kot pregrada med titanom in tesnilom, da se prepreči neposreden stik kovine z režo.
Zaključek: Debelina stene sama po sebi ni zadostna – potrebna je odstranitev rež
Za titanovo grelno cev v visoko{0}}tlačnem avtoklavu s 5 % ocetne kisline in 200 ppm klorida pri 250 stopinjah je debelina stene, ki je potrebna za odpornost proti koroziji v razpokah pod PTFE tesnilom, nerazumno ogromna (4,0 mm ali več) in zagotavlja življenjsko dobo manj kot 18 mesecev. Ta temperatura režne korozije je linearna (2-5 mm na leto), zato debelejša stena pomeni le ustrezno daljšo življenjsko dobo. Predlagano rešitev je, da privarite titanov plašč neposredno na titanov obroček ali prirobnico, da odstranite špranjo, ali uporabite titan razreda 7 s pregrado iz PTFE. Če je potrebna penetracija s tesnilom, določite titan razreda 7 z najmanjšo debelino stene 2,5 mm, PTFE toplotno skrčljivo pušo nad območjem tesnila in 6-mesečnim intervalom pregledov za rezanje utorov. Proizvajalcu navedite delovno temperaturo avtoklava, koncentracijo klorida in ocenjeno življenjsko dobo, da določite najboljšo kombinacijo zlitine, debeline stene in metode tesnjenja. V tem težkem okolju debelina stene ne bo zadostovala.
