For a Titanium Heating Tube Operating in a High-Pressure Autoclave with 5% Acetic Acid and 200 ppm Chloride at 250℃, What Wall Thickness Is Needed to Resist Crevice Corrosion Under a Teflon Gasket?

Кључни компромис-у дизајнирању титанијумских грејача за аутоклаве на високим{1}}температурама
200 ппм хлорида и 5% сирћетне киселине на 250 степени у аутоклаву под високим притиском је тешко окружење за титанијум. Титан је нормално отпоран на сирћетну киселину, али комбинација високе температуре, хлорида и тефлонске (ПТФЕ) заптивке представља велику опасност од корозије у пукотинама. ПТФЕ заптивка која заптива продор грејача кроз главу аутоклава ствара тесан зазор на интерфејсу заптивке-титанијумског омотача. У овој пукотини, кисеоник се губи, хлориди се концентришу и пХ се локално снижава услед хидролизе титанијум хлорида. Критична температура пукотина (ЦЦТ) титанијума степена 2 у растворима хлорида је нормално 70-80 степени. На 250 степени титанијум је много изнад свог ЦЦТ-а, а корозија у пукотини ће почети брзо осим ако се геометрија пукотина не промени или се титанијум легира. Покретање не спречава време до перфорације након што је корозија у пукотинама почела да буде функција дебљине зида. Ово истраживање процењује потребну дебљину зида за подношљив радни век у неизбежним ситуацијама пукотина.

Кинетика пукотине корозије на 250 степени: импликације на механички интегритет
Пасивни премаз на титанијуму степена 2 је термодинамички нестабилан у присуству хлорида на 250 степени, чак иу одсуству фисуре. Уједначена стопа корозије у 5% сирћетној киселини са 200 ппм Цл- на 250 степени је око 0,1-0,2 мм/годишње. Међутим, брзина корозије у пукотинама је 10-50 пута већа испод ПТФЕ заптивке. Електрохемијски тестови у симулираним условима аутоклава показују стопе раста пукотина од 2-5 мм/годишње. За зид од 1,0 мм ово предвиђа перфорацију у року од 2,5–6 месеци. 2.0 мм зид: перфорација за 5-12 месеци. Перфорација зида 3,0 мм 7-18 месеци. Велико ширење је последица хетерогености у компресији заптивки, завршној обради површине и концентрацији кисеоника. Важно је да је веза у суштини линеарна: удвостручење дебљине зида удвостручује време перфорације. За разлику од пасивиране корозије, где предности дебљих зидова могу експоненцијално да расту, корозија у пукотинама на 250 степени показује линеарну кинетику због немогућности формирања стабилног пасивног премаза да заустави напад.

До квара долази на интерфејсу омотача{0}}заптивке, обично 5–10 мм од ивице заптивке. Након иницирања, жлеб корозије се брзо развија. Грејач квари због цурења на пенетрацији, а не перфорацијом уроњеног дела. После-преглед квара показује оштар ивични жлеб- ножа испод заптивача.

Утицај на термичке перформансе: Градијент температуре и деградација заптивки
Топлотни градијент преко титанијумског зида на месту заптивача је мали, пошто се заптивка углавном налази на хладном крају грејача (изнад загрејане зоне). Међутим, топлота која се преноси на омотач повећава температуру заптивке. За аутоклав на 250 степени, температура површине заптивке може бити 150-200 степени у зависности од дебљине зида и дужине незагреваног дела. ПТФЕ се распада изнад 260 степени, али око 200 степени омекшава и пузи, што повећава компресију на заптивци и смањује зазор у пукотини. Плитка пукотина (< 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.

Синтеза{0}}о компромиса: дебљина зида за 1 годину радног века
Дебљина зида (мм) Предвиђена стопа корозије пукотина (мм/годишње на 250 степени) Време до перфорације (месеци) Температура заптивке (степен) Препоручено за 1-годишњи животни век?
1,0 мм 3,5 мм/год (типично) 3,5 месеца 180 степени Не
1,5 мм 3,5 мм/год. 5 месеци 185 степени бр
2,0 мм 3,5 мм/годишње 7 месеци 190 степени Не (прекиди пре 12 месеци)
2,5 мм 3,5 мм/год 8,5 месеци 195 степени бр
3,0 мм 3,5 мм/годишње 10 месеци 200 степени Маргинално (не може да достигне 12 месеци)
4,0 мм 3,5 мм/годишње 13,5 месеци 210 степени Да (ризик од пропадања ПТФЕ)
Подаци сугеришу да чак и зид од 4,0 мм неће трајати више од 13,5 месеци при стопи корозије у пукотинама од 3,5 мм/годишње, а температура заптивке (210 степени) је изнад максимума препорученог за ПТФЕ (200 степени непрекидно). Не може се ослонити само на дебљину зида да ће обезбедити век трајања од 1 године за агресивне услове пукотина.

Инжењеринг иза зида: уклањање пукотина и надоградња легуре
Пошто дебљина зида само линеарно повећава век трајања корозије у пукотинама, инжењерски нагласак треба ставити на спречавање развоја пукотина или надоградњу легуре титанијума. Прво, ПТФЕ заптивка се замењује завареним спојем титанијум-за-прирубницу чиме се елиминише пукотина. Заварени заптивач (нпр. цев од титанијума заварена на главу аутоклава) уклања заптивку-међу омотача која је место корозије. Друго, критична температура пукотина расте на ~150 степени када се титанијум надогради са степена 2 на степен 7 (Ти-0,15% Пд). На 250 степени степен 7 и даље кородира, али на 0,5-1,0 мм годишње, или 3-7 пута спорије од степена 2. Радни век цеви степена 7 са дебљином зида од 2,0 мм је 2-4 године. Треће, ПТФЕ термоскупљајућа навлака је примењена на титанијумски омотач у пределу заптивке. Навлака служи као препрека између титанијума и заптивке како би се избегао директан контакт метала и пукотина.

Закључак: Дебљина зида није довољна сама по себи – потребно је уклањање пукотина
За титанијумску грејну цев у аутоклаву високог-притиска са 5% сирћетне киселине и 200 ппм хлорида на 250 степени, дебљина зида неопходна да издржи корозију у пукотинама испод ПТФЕ заптивке је неразумно огромна (4,0 мм или више) и даје век трајања краћи од 18 месеци. Ова температура корозије у пукотинама је линеарна (2-5 мм годишње), па дебљи зид само значи одговарајући дужи животни век. Предложени лек је да се титанијумски омотач завари директно на титанијумски прстен или прирубница да би се уклонио пукотина или да се користи титанијум степена 7 са ПТФЕ навлаком. Ако је потребна пенетрација са заптивком, наведите титанијум степена 7 са минималном дебљином зида од 2,5 мм, ПТФЕ термоскупљајућом чахуром преко подручја заптивке и 6-месечним интервалом провере за урезивање пукотина. Дајте произвођачу радну температуру аутоклава, концентрацију хлорида и процењени радни век да би се одредила најбоља комбинација легуре, дебљине зида и метода заптивања. У овом тешком окружењу, дебљина зида неће бити довољна.