Zakaj debela (2,0 mm) stena iz titana zagotavlja boljšo zaščito pred krhkim zlomom,-ki ga povzroča peroksid, kot tanka (1,0 mm) stena?

Na primer, v procesu beljenja, kemične sinteze ali čiščenja odpadne vode mora procesni inženir, ki poganja potopni grelnik iz titana v raztopini, ki vsebuje vodikov peroksid (H2O2), oceniti nevarnost krhkega loma, ki ga povzroči peroksid, kot pomemben dejavnik zasnove. Na titanovih površinah vodikov peroksid razpade, da nastane atomski kisik in pod določenimi pogoji atomski vodik. Vodik difundira v titanovo mrežo in tvori krhki titanov hidrid (TiHx). Debelejša stena (2,0 mm) nudi boljšo zaščito pred krhkim lomom, ki ga povzroči-hidrid, kot tanka stena (1,0 mm) prek dveh mehanizmov: daljša difuzijska razdalja, da vodik doseže kritično koncentracijo, in večja preostala debelina stene po proizvodnji površinskega hidrida. Kvantitativne študije kažejo, da bo stena debeline 2,0 mm zdržala 4–8-krat večjo absorpcijo vodika, preden pride do krhkega loma v primerjavi s steno debeline 1,0 mm, kar podaljša življenjsko dobo za faktor 3–6 pri delu s peroksidom.

Mehanizem peroksid{0}}inducirane absorpcije vodika v titanu
Titanium surfaces catalyze the exothermic decomposition of hydrogen peroxide . 2H2O2 ->2H2O + O2. Ta razgradnja ustvari zelo oksidativno okolje, ki običajno stabilizira pasivni film TiO2. Vendar pa na lokaliziranih območjih, kjer je koncentracija peroksida visoka ali je temperatura nad 60 stopinj, pride do sekundarne reakcije: H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O (katodna redukcija), ki lahko daje atomski vodik kot intermediat. Atomski vodik se absorbira v mrežo titana, namesto da bi se ponovno združil kot plin H₂. Ko vodik vstopi v titan, difundira na območja natezne napetosti (običajno zunanja površina med temperaturnim ciklom). Obarjanje titanovega hidrida (TiH2) se pojavi, ko lokalna koncentracija vodika preseže približno 150 delcev na milijon teže (150 ppmw). Hidridne ploščice so krhke in povzročajo povečanje volumna za okoli 17 %, kar povzroča notranje napetosti, ki povzročajo razpoke. Zlom je hiter in hud, z malo opozorila.

Kvantificiranje učinka debeline stene na odpornost proti lomu hidrida
Debelina stene (mm) Čas za doseganje kritične koncentracije H (150 ppmw) na površini (meseci) Kritična koncentracija H v srednji steni (ppm w) Ko površina doseže 150 ppmw Čas do preboja-Hidridno razpokanje stene (meseci) Relativna življenjska doba 1.0 3 120 4-5 1.0x 1.2 4 100 6-7 1.5x 1.5 6 80 9-11 2.2x 1.7 7 70 11-14 2.8x 2.0 9 55 15-20 4.0x 2.5 12 40 22-30 6.0x
2,0 mm stena daje skoraj 4-krat daljšo življenjsko dobo kot 1,0 mm stena pri enaki obdelavi s peroksidom. V debelejši steni potrebuje vodik dlje časa, da difundira do srednje stene, da doseže kritično koncentracijo, in ko se začne tvorba hidrida, ima debelejša stena tudi večjo strukturno stabilnost.

Vodnik na podlagi scenarija za izbiro debeline stene peroksidne storitve
Temperatura in koncentracija peroksida Hitrost razgradnje H2O2 Priporočena debelina stene Pričakovana življenjska doba Način napake
1–5 % H₂O₂, 40 stopinj (beljenje, majhna nevarnost) 1,5 mm < 5-8 let Enakomerna korozija (nehidridna)
5–15 % H₂O₂, 50 stopinj (zmerno tveganje) Srednje 1,5–2,0 mm 3–5 let Hidrid na prvih zvarnih območjih 15–30 % H₂O₂, 60 stopinj (visoko tveganje) Visoko 2,0–2,5 mm 1,5–3 leta > Več-nukleacija razpok, hidridne razpoke 30 % H₂O₂, > 60 stopinj Zelo visoko Ni priporočljivo<1 yearUse Tantalum Equipment or PTFE Lined
Intermitentna izpostavljenost (šaržni postopek) Nižja kumulativna 1,5 mm 2-4 leta SprejemljivoHidridna sinergija + toplotno kroženje
H2O2 (visoke čistosti, stabiliziran s fosfatom) Rez stabilizatorja 1,5 mm 4-6 let Stabilizatorji zmanjšajo razgradnjo in absorpcijo vodika
Peroksid + klorid (najslabši primer]Sinergistično Najmanj 2,5 mm 1-2 leti Kombinirani kloridni piting + hidridni kreking
Inženirske ublažitve za storitev peroksida
Za uporabo s peroksidom pri-titanu z debelimi stenami različni dodatni koraki dodatno podaljšajo življenjsko dobo. Najboljši način je ohladiti površino titana. Hitrost absorpcije vodika se zmanjša za približno 40 do 50 odstotkov za vsakih 10 stopinj znižanja temperature plašča. Tek pri 50 stopinjah namesto pri 70 stopinjah podaljša življenjsko dobo 3-4 krat. Drugi pristop je dodajanje peroksidnih stabilizatorjev (natrijevega stanata, natrijevega pirofosfata ali fosfonske kisline) v raztopino. Stabilizatorji preprečujejo katalitično razgradnjo H2O2 na površini titana, kar zmanjša nastajanje kisika in absorpcijo vodika. Stopnje privzema vodika iz stabiliziranih raztopin peroksida so 70–90 % nižje kot iz nestabiliziranih raztopin. Tretji ukrep je občasno žarjenje titanovega grelnika. Grelec se segreva na 400 stopinj v vakuumu 4 ure. To izžene absorbirani vodik in duktilnost se obnovi. To metodo lahko izvedete enkrat letno in učinkovito ponastavite koncentracijo vodika skoraj na nič.

Zaključek: stena 2,0 mm daje 4x življenjsko dobo v. 1.0 mm v storitvi peroksida
Debelejša (2,0 mm) stena iz titana ponuja vrhunsko zaščito pred krhkim zlomom, ki ga povzroča-peroksid, v primerjavi s tanjšo (1,0 mm) steno, ker vodik potrebuje precej daljši čas, da difundira skozi debelejši odsek in doseže kritično koncentracijo na srednji steni. Stena debeline 1,0 mm poči v 4-5 mesecih zaradi hidridne krhkosti v 10-15 % H2O2 pri 60 stopinjah, medtem ko stena debeline 2,0 mm zdrži 15-20 mesecev – 4-kratno podaljšanje življenjske dobe. Titan ni priporočljiv za večje koncentracije peroksida (nad 30 %) in temperature (nad 70 stopinj) ne glede na debelino stene. Pri določanju titanovega grelnika za katero koli storitev, ki vsebuje peroksid, je treba dobavitelju posredovati koncentracijo peroksida, temperaturo, prisotnost stabilizatorjev in pričakovano število ur delovanja na dan, da se olajša izbira ustrezne debeline stene, ki uravnoteži stroške in predvideno življenjsko dobo hidridnega loma.