V hidrometalurškem avtoklavu za predelavo nikelj-laterita (visok klorid, 250 stopinj, 40 barov) zakaj je brezšivni titanov plašč stopnje 7 s 3,0 mm steno boljši od 2,0 mm varjenega, kljub nižjemu prenosu toplote?

Temeljni kompromis-pri oblikovanju grelnikov iz titana za visokotlačne avtoklave
Nikelj lateritni hidrometalurški avtoklavi delujejo pri 250 stopinjah in 40 stopinjah tlaka ter pri visokih koncentracijah klorida (10.000–50.000 ppm). Grelniki iz titana morajo preživeti visoko korozijo in mehanske obremenitve. Skupni standardi vključujejo brezšivni titan razreda 7 s steno 3,0 mm in varjen titan stopnje 2 ali razreda 7 s steno 2,0 mm. Debelejša stena ima zmanjšan prenos toplote, vendar ima brezšivni 3,0 mm plašč stopnje 7 boljšo življenjsko dobo kot varjen 2,0 mm plašč iz dveh razlogov: brez korozijskih-povezanih mest in izboljšane korozijske odpornosti stopnje 7 v visoko{19}}temperaturnih kloridih. Ta analiza obravnava razloge za izbiro navidezno preveč-debele brezšivne cevi za to ekstremno uporabo.

Vpliv na mehansko celovitost: Odpoved zvarov in špranjska korozija
Pod visokim tlakom, v pogojih avtoklava z visoko vsebnostjo klorida pri 250 stopinjah titanove cevi odpovejo predvsem na zvarnem šivu ali v območju toplotnega vpliva (HAZ). Varjenje doda 3 nove ranljivosti. Prvič, preostale natezne napetosti v območju zvara (150–250 MPa) so višje od praga za napetostno korozijsko razpokanje v kloridnih pogojih. Drugič, HAZ ima izrazito mikrostrukturo (igličasti alfa-prime martenzit), ki je bolj nagnjena k vodikovi krhkosti. Tretjič, ojačitev zvara tvori razpoko, kjer se zbirajo kloridi. Podatki s terena iz avtoklavov z nikljevim lateritom kažejo, da varjene cevi stopnje 2 ali stopnje 7 z debelino stene 2,0 mm pokvarijo v 12–24 mesecih zaradi razpok ali luknjic, povezanih z zvari.

Brezšivne cevi razreda 7 so brez vzdolžnih zvarov in HAZ. Ogrevana dolžina je brezšivna, vendar je končne pokrove mogoče privariti. Stopnja 7 vsebuje od 0,12 do 0,25 odstotka paladija, ki oplemeniti titan in zviša kritično temperaturo luknjičaste luknjice v visoko-kloridnih raztopinah z 80 stopinj (stopnja 2) na več kot 200 stopinj. Stopnja 7 korodira enakomerno s hitrostjo 0,05–0,10 mm/leto, vendar pri 250 stopinjah, stopnja 2 pa 0,5–2,0 mm/leto. Stena debeline 3,0 mm zagotavlja 30-60 let korozije pri 0,05-0,10 mm/leto, kar je veliko dlje od načrtovane življenjske dobe avtoklava.

Izguba pri prenosu toplote: Vpliv na toplotno učinkovitost
3,0 mm stena je debelejša in ima zato večji prevodni upor: R_cond=t/k_Ti=0.003/17=1.76 × 10⁻⁴ m²·K/W v primerjavi z 1,18 × 10⁻⁴ za 2,0 mm steno. Razlika je 0,58×10-4 m 2 K/W. Za reprezentativni avtoklav: prisilno kroženje (h ≈ 2000 W/m2·K) R konv=5 × 10–4 m2·K/W. Skupni upor za 3,0 mm 6,76 x 10-4 . Za 2,0 mm 6,18 x 10-4-9 % povečanje. 3,0 mm stena ima površinsko temperaturo okoli 4 stopinje višjo za enak toplotni tok. Kompromis je majhen in je sprejemljiv glede na veliko povečanje odpornosti proti koroziji in zanesljivosti.

Povzetek kompromisa-: Brezšivni razred 7 3.0 mm v primerjavi z varjenim 2,0 mm
Brezšivni razred 7, 3,0 mm ParameterGrade 2, 2,0 mm Engineering Impact, varjeni
Zvarni šiv Ni (brezšiven) Vzdolžni zvar je prisoten Okvara zvarjene cevi pri zvaru v 12-24 mesecih
Stopnja 7 (0,15 % Pd) Stopnja 2 (brez Pd) 10-20 × odpornost na klorid za stopnjo 7
Stopnja korozije (250 stopinj, visok Cl−) 0,05 – 0,10 mm/leto 0,5 – 2,0 mm/leto Stopnja 2 je 10-40× hitrejša
Dovoljena življenjska doba proti koroziji (3,0/2,0 mm) 30 – 60 let 1 – 4 leta Brezšivna stopnja 7 načrtovana življenjska doba presežena
Relativni prenos toplote 0,91× (9 % nižje) 1,00× (izhodišče) Razumen kompromis.
Dosežena življenjska doba > 5 let < 2 leti Prednostna brezšivna stopnja 7
Inženiring onstran zidu: varjenje končnih pokrovčkov in NDT
Tudi če je cev brezšivna, je treba končne pokrove in prirobnice privariti. Ti zvari so lahko točke okvare. Zvari s popolnim prebojem z dobro ojačitvijo se lahko dosežejo za steno debeline 3,0 mm. Toplotna obdelava po-varu (540 stopinj za 1 uro) zmanjša preostalo napetost v območju zvara na<50 MPa. All welds should be 100% radiographically (RT) or phased array ultrasound examined for porosity or lack of fusion. End cap welds last as long as the seamless tube with good welding processes.

Zaključek: Brezšivna stopnja 7 s 3,0 mm steno je prednostna za ekstremne storitve v avtoklavu
Pri hidrometalurški obdelavi nikljevega laterita v klorid{0}}bogatem avtoklavu pri 250 stopinjah in 40 barih se brezšivna cev iz titana razreda 7 z debelino stene 3,0 mm obnese bolje kot varjena alternativa debeline 2,0 mm kljub zmanjšanemu prenosu toplote zaradi odprave mest okvar, povezanih z zvarom, in odlične odpornosti proti koroziji, dosežene s paladijem legiranje. Varjene cevi bodo odpovedale v 12-24 mesecih zaradi korozije ali razpok zvarnih šivov, brezšivne cevi razreda 7 pa bodo delovale 5+ let. 9-odstotna kazen za prenos toplote je sprejemljiva za ogromno povečanje zanesljivosti in dolgoživosti. Priporočen standard so brezšivne titanove cevi stopnje 7 (ASTM B861) z debelino stene 3,0 mm. Zvari s popolno penetracijo za končne pokrove, žarjenje za razbremenitev napetosti po-varu in 100 % NDT vseh zvarov. Povejte proizvajalcu, kakšno koncentracijo klorida pričakujete in pri kateri temperaturi boste delali. Debelejša brezšivna stopnja 7 ne presega-specifikacij za uporabo v avtoklavu z nikljevim lateritom – je minimalna debelina za zanesljivo delovanje.