Kako geometrija reže (material tesnila in navor objemke) vpliva na začetni čas režne korozije na titanovih grelnih ceveh v bazenih za izhlapevanje soli?

Bazeni za izhlapevanje soli za proizvodnjo natrijevega klorida, kalijevega klorida in drugih soli iz slanic delujejo pri temperaturah 40-60 stopinj in koncentracijah klorida od nasičenja (približno 26 % NaCl) do prenasičenja z obarjanjem solnih kristalov. Titanove grelne cevi se uporabljajo za vzdrževanje temperature izhlapevanja in preprečevanje kristalizacije površin za prenos toplote. Prevladujoč način okvare pa je razpokana korozija na spojih cevi-in cevne plošče, pod tesnili in pod priključki objemk. V nasprotju s številnimi težavami s korozijo titana, ki so v glavnem odvisne od kemije zlitine ali debeline stene, na čas začetka špranjske korozije pri storitvah izhlapevanja soli pomembno vplivajo mehanski konstrukcijski parametri, kot so geometrija špranje (širina in globina reže) ter material tesnila in navor objemke. Ta prispevek ocenjuje učinek teh spremenljivk na čas do nastanka razpok in ponuja načrtovalske predloge za podaljšanje življenjske dobe grelnika v slanih ribnikih.

Mehanizem špranjske korozije v nasičeni kloridni slanici.
Nasičena ali skoraj nasičena slanica natrijevega klorida pri 50 stopinjah je zelo agresivna zaradi koncentracije klorida (približno 5,4 M Cl-) in visoke ionske moči v glavni raztopini. Toda titan je pasiven v razsutem stanju slanice, saj z visoko vsebnostjo klorida ni nizek pH. Ključni pogoj za nastanek režne korozije je pomanjkanje kisika v špranji. Anodno raztapljanje titana proizvede Ti4+, ki hidrolizira v H+.. Posledično se pH znotraj špranje zmanjša na 2-3, ko zmanjka kisika. Pri nasičeni kloridni slanici vodi manjše znižanje pH do stanja, v katerem se titan ne more ponovno pasivirati in korozija v razpokah se hitro širi.

Začetni čas, tj. čas pred začetkom vztrajnega napada špranje, je povezan s hitrostjo izčrpavanja kisika in hitrostjo padca pH pod prag repasivacije. Oboje nadzira geometrija špranje, prepustnost materiala tesnila za kisik in kontaktni tlak med tesnilom in površino titana.

Učinki širine reže
Od geometrijskih parametrov je najbolj kritična širina reže med titanovo cevjo in nasprotno površino (cevno pločevino, tesnilo ali objemko). Za določeno širino reže je hitrost difuzije kisika v špranjo sorazmerna s kubom reže (Fickov zakon za ozek kanal). Večje vrzeli omogočajo obnavljanje kisika, kar upočasni izčrpavanje in podaljša čas iniciacije. manjše vrzeli vodijo do večjega pomanjkanja kisika.

Kontrolirana preiskava vzorcev iz titana stopnje 2 z umetnimi razpokami z nadzorovano širino vrzeli v nasičenem NaCl pri 50 stopinjah, pH 7,0 je pokazala naslednje začetne čase (čas do vidnega napada pri 10-kratni povečavi):

Pri širini reže 0,05 mm (tipično za dobro{1}}pritegnjeno PTFE tesnilo proti strojno obdelani prirobnici) pride do izgube kisika v 24–48 urah, napad špranj pa se začne v 50–100 urah. Pri širini reže 0,10 mm se iniciacija pojavi pri 200-300 urah. Pri širini reže 0,25 mm se začetek podaljša na 500 do 1000 h. Difuzija kisika omogoča ohranitev pasivnosti in zato pri širini reže 0,50 mm po 5000 urah ni zaznan napad na špranje. Pri širini reže več kot 1,0 mm geometrija ni več reža, temveč odprta reža. Do napada ne pride.

V praksi to pomeni, da so zelo tesne reže (manj kot 0,1 mm) najbolj nevarne. Projektanti naj naredijo reže širše od 0,5 mm (debela tesnila ali odmiki) ali odpravijo reže (varjeni spoji).

Učinki globine reže
Obseg reže (razdalja, ki jo vrzel prodre pod tesnilo ali v cevno ploščo) določa količino kisika-osiromašene površine, ki je na voljo za anodno raztapljanje. Začetek je pospešen pri globljih razpokah, ker imajo večje-območja brez kisika in daljše difuzijske poti za določeno širino reže.

Za dano širino reže 0,1 mm se začetni čas zmanjša s 300 ur na 100 ur, ko se globina reže poveča s 5 mm na 20 mm. Pri globini 50 mm se iniciacija zgodi pri 40-50 urah. Izogibajte se globinam razpok, večjim od 15 mm, pri uporabi izparilnika soli. Spoji cevi-in cevne plošče morajo biti oblikovani tako, da imajo plitvo špranjo (globoko manj kot 10 mm) ali pa morajo biti varjeni, da se odpravi špranje.

Prepustnost tesnilnega materiala
Tesnilni materiali se razlikujejo po svoji prepustnosti za kisik in po sposobnosti absorbiranja slanice, kar oboje vpliva na kemijo špranj. ne-porozna, nepre{2}}prepustna tesnila (PTFE, PEEK, kovina) zagotavljajo tesno tesnjenje in ne dopuščajo difuzije kisika skozi samo tesnilo, kar pospeši izčrpavanje kisika v špranji. Mehka guma, EPDM, silikon (porozna, prepustna tesnila): nekaj kisika lahko difundira skozi telo tesnila, da nadomesti režo in zavira začetek.

Preizkušeni so bili različni materiali tesnil (reža 0,1 mm, globina 10 mm, nasičen NaCl pri 50 stopinjah) in rezultati so:

PTFE tesnilo (neprepustno) – nastop pri 200-300 urah. EPDM guma (srednja prepustnost): nastopi pri 400–600 urah. Silikonska guma (visoka prepustnost) 800 do 1200 ur do začetka. Brez tesnila (stik med-kovino in kovino, dejansko ničelna vrzel, porozen vmesnik) Začetek pri nad 2000 urah z le zmernim napadom.

Kompromis-je v tem, da bodo prepustna tesnila absorbirala slanico in nabreknila, kar lahko sčasoma spremeni geometrijo reže. Silikon in EPDM se v daljšem časovnem obdobju (2-5 let) razgradita v vroči slanici in ju je treba zamenjati.

Vpenjalni moment in kontaktni tlak
Pritisk na tesnilo in vmesnik iz titana je funkcija navora, uporabljenega za zategovanje objemke. Več navora pomeni tesnejša tesnila, kar pomeni, da se efektivna širina reže zmanjša in razprši manj kisika. Manjši navor (pod omejitvami tesnjenja) ima za posledico nekoliko večjo učinkovito režo, torej počasnejše nastajanje špranje.

Testiranje PTFE tesnila na prirobnici cevi s premerom 50 mm z nasičenim NaCl pri 50 stopinjah daje:

Navor 20 N·m (malo) Efektivna reža 0,15-0,20 mm Zagon 400-600 ur. Navor 40 Nm (standardno) Efektivna reža 0,08-0,12 mm Začetek 200-300 ur Navor 60 N·m (visoka): efektivna reža 0,04-0,07 mm, začetek 50-100 ur.

Najboljši način za servisiranje izparilnika soli je uporaba najmanjšega navora, ki bo zagotovil tesnjenje, običajno 50 do 60 odstotkov predlaganega maksimuma za material tesnila. Ta tehnika poveča učinkovito vrzel brez puščanja.

Aplikacijska matrica oblikovanja rež za solne uparjalnike
Konstrukcijski parameter Prednostna vrednost za mehanizem podaljšane življenjske dobe Pričakovani čas do iniciacije špranje (nasičen NaCl, 50 stopinj)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5000 ur (brez napada)
Širina reže (če<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
Globina reže<10 mm Anode area limited 300-500 hours
Material tesnila EPDM ali silikon (prepusten) Difuzija kisika tesnila 400 do 1200 ur.
Navor sponke Min. tesnilni navor (50-60 % največjega) Povečanje efektivne reže 2-3-krat daljše od visokega navora
Spojna cev-cevna ploščaZvari (popolna penetracija) Brez napadov na špranje (samo luknjanje) Odstrani špranje
Praktični namigi o grelnikih za uparjanje soli
V bazenih za izhlapevanje soli je najboljša zasnova titanovih grelnih cevi zasnova, pri kateri so vse razpoke odpravljene s -prebojno varjenimi spojkami cevi-na-cevno ploščo. Če so potrebni ločljivi priključki, uporabite perforirano ali rebrasto tesnilo, da ohranite ločitev, in navedite širino reže od 0,20 do 0,30 mm. Namesto PTFE uporabite tesnila iz EPDM ali silikona (razporejena za slanico 60 stopinj), da izkoristite njegovo prepustnost za kisik. Uporabite najmanjši navor objemke, ki bo preprečil puščanje, kot je ugotovljeno s testiranjem z mehurčki. Oblikujte prirobnice s plitvimi vdolbinami, da omejite globino reže na 10 mm ali manj. Te konstrukcijske izbire povečajo začetni čas špranje z 200–300 ur (standardno PTFE tesnilo, visok navor) na 2.000–5.000 ur, preden je potreben pregled, ali 3–6 mesecev neprekinjenega delovanja. Načrtujte letne inšpekcijske preglede grelnika in očistite vse začetne napade špranj z lahkim poliranjem za 24-urno delovanje solnega ribnika. Za aplikacije s 5-letnim obdobjem vzdrževanja so potrebni zvarjeni spoji, tudi če je geometrija optimizirana.