Која су разматрања за коришћење титанијума као материјала за грејну плочу у високо корозивним срединама?

Чак и нерђајући челик 316 може да претрпи пукотине или пуцање од корозије када је грејна плоча потребна за рад у врућој морској води, јаким хлоридима или оксидирајућим киселинама. Титанијум је материјал који обећава за врхунске-прилике у овим тешким условима. Међутим, његов избор треба да буде компромис између отпорности на корозију, термичких перформанси и цене. Познавање забринутости за коришћење титанијумских грејних плоча у корозивним срединама може помоћи да се остваре предности материјала без непредвиђених недостатака у перформансама.

Кључна карактеристика: самоисцељујући оксидни слој
Изузетна отпорност титанијума на корозију је последица танког, издржљивог и-самолечивог оксидног филма (углавном ТиО2) који се брзо формира на било којој изложеној површини. Овај пасивни филм је постојан у оксидационим околностима и веома је отпоран на нападе хлорида, за разлику од слоја хром-оксида на нерђајућем челику. Титан је практично непромењен у условима у којима је нерђајући челик склон питингу, корозији у пукотинама или пуцању од корозије под напоном (нпр. врућа слана вода, слана вода или хемијски токови који садрже хлориде).

Ово чини титан изборним материјалом за многе поморске, хемијске и десалинизацијске апликације. Титанијум је један од најпоузданијих метала доступних за грејне плоче које су потопљене у растворе који садрже хлорид-или изложени влажној атмосфери која садржи со-.

### Предности титанијумских грејних плоча у корозивним условима
Одлична отпорност на хлорид
Кључни разлог за рад титанијума је његов учинак у условима хлоридног лежаја. Типичне употребе укључују:

Измењивачи топлоте и грејне плоче морске воде, на пример за аквакултуру или активности на мору.

Купатило за галванизацију и завршну обраду метала на бази хлоридног електролита.

Опрема за бељење и дезинфекцију натријум хипохлорита или хлор диоксида.

Где је титанијум веома отпоран. Сервис оксидирајуће киселине (хромна киселина, азотна киселина).

У овим медијумима титанијумска грејна плоча може да преживи десет пута или више дуже од нерђајућег челика и често ће радити деценијама без очигледног пропадања.

Висока чврстоћа-од-однос тежине
Титанијум има густину од око 4,5 г/цм³, што је скоро 60% густине челика (7,9 г/цм³), али има сличну или чак већу границу течења. За дато механичко оптерећење титанијумска грејна плоча може бити тања и лакша од челичне плоче. Ово је корисно у апликацијама где је тежина проблем, као што су преносива опрема или покретне плоче. Међутим, тежина је ретко проблем за стационарне грејне плоче.

Добра отпорност на оксидацију на високим температурама
У сувој или оксидирајућој атмосфери титанијум одржава свој заштитни оксид до око 300-400 степени. За грејне плоче које раде испод овог опсега, титанијум пружа добру отпорност на оксидацију, без љуштења или љуштења који муче нисколегиране челике.

недостаци и ограничења титанијума
Ниска топлотна проводљивост
Титанијум има топлотну проводљивост од око 16-22 В/м·К (у зависности од квалитета и температуре). Ово је отприлике једна осма од алуминијума (~167 В/м*К) и слично као код нерђајућег челика (~16 В/м*К). За грејну плочу, ниска топлотна проводљивост значи:

Дуже трајање грејања и хлађења - Топлотни градијенти се развијају између грејних елемената и радне површине, посебно код дебелих плоча.

Смањена хомогеност - Вруће тачке у близини грејача се погоршавају осим ако се не користи пажљив дизајн (нпр. расути грејачи или слојеви за ширење бакра).

Мања максимална густина у ватима - Као и код ПТФЕ грејача, ограничена проводљивост ограничава количину енергије која се може испоручити по јединици површине без прекомерне унутрашње температуре.

У цикличним применама, ниска топлотна дифузивност титанијума (око 7 мм²/с) чини га знатно мање реактивним од алуминијума. Ово је важно узети у обзир за процесе где су потребне брзе флуктуације температуре.

Цена материјала и израде је висока
Титанијум је много скупљи од нерђајућег челика или алуминијума. Цена сировине по килограму је генерално 5-10 пута већа од цене нерђајућег челика 316. За израду су такође потребне посебне процедуре. Титан је реактиван са кисеоником и азотом на високој температури, тако да се заваривање мора изводити под инертним гасом (ГТАВ/ТИГ) иу чистим условима. Титанијум је материјал који се тешко обрађује јер има тенденцију да се жучи и стврдне.

Дакле, укупни трошак титанијумске грејне плоче је далеко већи од идентичне оне произведене од нерђајућег челика или алуминијума. Економска основа је продужени радни век, нижи трошкови одржавања и изгубљена производња услед проблема корозије.

Подложност одређеним техникама напада
Титанијум је одличан за услове оксидације и хлорида, али генерално није отпоран на корозију. Значајна ограничења укључују:

Флуороводонична киселина (ХФ) - Чак и разблажене количине ХФ брзо уништавају титанијум.

Редукционе киселине - Титанијум може да кородира у одсуству оксидационог агенса (нпр. разређена сумпорна или хлороводонична киселина без раствореног кисеоника). Мале концентрације оксидирајућих јона (Фе3+, Цу2+) или азотне киселине могу стабилизовати пасивни филм.

Корозија пукотина у врућим хлоридима - Титанијум може бити подложан корозији пукотина у уским просторима (нпр. иза заптивки или наслага) у концентрованим растворима хлорида на температурама изнад око 80 степени. Да би се ово супротставило, постоје разреди са додатним паладијумом (Граде 7) и рутенијумом (Граде 26).

Hydrogen Embrittlement - Titanium can absorb hydrogen at high temperatures (>~300 степени) у редукционој атмосфери или под катодном заштитом која може довести до кртости.

Кључно је нагласити да ове границе не умањују вредност титанијума, али се морају препознати при одређивању титанијума за одређену корозивну средину.

Максимална температура титанијумских грејних плоча
Максимална температура непрекидног рада варира у зависности од услова:

Елемент за ограничавање максималне препоручене температуре окружења
Оксидирајући медијум (ваздух, азотна киселина) 300-400 степени Транспорт кисеоника и површинска оксидација
Морска вода или раствори хлорида ~80 степени (урањање без ризика од пукотина) Корозија пукотина на температурама већим од 80 степени
Киселине редукујуће (са оксидантима) 100–150 степени Одсуство пасивности
Висококвалитетна вода или пара 250-300 степени Апсорпција водоника (пара)
Титанијумске грејне плоче су ограничене на температуре испод 100 степени за већину водених корозивних средина осим ако се не користе посебне класе (нпр. Ти-Пд легуре). За суво грејање (нпр. ваздух или инертни гас) је погодан 300-400 степени.

Практична разматрања дизајна и производње
Неке практичне факторе треба узети у обзир приликом изградње титанијумске грејне плоче за корозивну употребу:

Избегавајте галванску везу. Титанијум је племенит и изазива бржу корозију мање племенитих метала (алуминијум, угљенични челик, цинк) када је електрично спојен у проводљивом електролиту. Обезбедите довољно одвајање или користите изолационе заптивке.

Управљајте термичким ширењем - Титанијум има коефицијент топлотног ширења (ЦТЕ) од ~8,5×10⁻⁶/ степен који је сличан оном код челика и мањи од алуминијума. Диференцијално ширење мора бити надокнађено када се титанијум причвршћује на друге материјале (нпр. бакарне распршиваче топлоте).

Користите праве методе заваривања - Заваривање титанијума укључује заштиту инертним гасом на завареној базени и на страни корена. Кртост је последица контаминације кисеоником (промена боје указује на контаминацију). На титанијуму треба користити само стручне завариваче.

Размотрите опције обложене или обложене - Ако је титанијум прескуп, танак лист титанијума може да се залепи за јефтинији материјал за подлогу као што је алуминијум или челик (експлозијски-обложен или ролањем-). Ово обезбеђује површину натопљену титанијумом и користи проводљиву подлогу за дистрибуцију топлоте.

Поређење грејних плоча од титанијума, нерђајућег челика и ПТФЕ пресвучених
Табела испод приказује поређење титанијумских грејних плоча са две најчешће коришћене алтернативе у корозивним срединама:

Својство / разматрање Титанијум (2. разред) Нерђајући челик (316) ПТФЕ-Метал обложен ПТФЕ
Отпорност на корозију – хлориди (морска вода, слани раствори) Одлична (отпорна на корозију удубљења/пукотина до ~80 степени) Лоша (ризик од појаве рупа и СЦЦ) Одлична (ПТФЕ инертан)
Отпорност на корозију – киселине које оксидирају (хромна киселина, азотна киселина) Добра (до умерених количина) Одлична Одлична.
Отпорност на корозију – редукујуће киселине (ХЦл, разблажен Х 2 СО 4 ) Лоша без оксидатора Лоша (напад) Одлична
Максимална континуирана температура 300-400 степени (суво) ~80 степени (морска вода) 500-600 степени ~120 степени (ограничење ПТФЕ)
Топлотна проводљивост (В/м•К) 16–22 16–18 Метална подлога доминира; ПТФЕ додаје отпорност
Топлотна дифузивност (мм2/с) ~7 ~4 Зависи од подлоге
Однос снаге-према-тежини Веома висок Средње Умерен (зависно од подлоге)
Отпорност на механичко хабање Добра (али склона загризању) Добар ПТФЕ слој је мекан, може се огребати
Цена материјала у поређењу са Веома висока (5-10× нерђајући) Умерена (основа) Умерена (укључен трошак премаза)
Типичне примене: Хипохлорит, плоче са азотном киселином, грејачи морске воде Нежније хемијске услуге, веће температуре Нискотемпературне услуге хлорида, мешано кисело кисељење
Смернице за доношење одлука: Када позвати за Титанијум
Титанијумска грејна плоча је најекономичнија када:

Окружење је агресивно са хлоридима (морска вода, боћата вода, процесни раствори који садрже хлорид) и температуре су изнад прихватљиве границе за ПТФЕ (120 степени) или где би ПТФЕ премаз био механички уништен.

Постоје оксидирајуће киселине (азотне, хромне) на умереним температурама. Повећана топлотна проводљивост титанијума (у односу на грејаче обложене птфе-) помаже.

Није потребно одржавање и дуг радни век и висока цена титанијума се враћају мањим застојима.

Висок однос чврстоће-према-тежини је од суштинског значаја (нпр. померање плоча у корозивном окружењу).

Титанијумска грејна плоча се не препоручује, с друге стране, када:

Течност садржи флуороводоничну киселину или јаке редукционе киселине, али без оксидатора.

Хлоридни сервис: температуре изнад 80 степени (користите легуру титанијума-легуре паладијума разреда 7 или ПТФЕ-обложене опције).

Примена захтева брзо мењање температуре (алуминијум или бакар су идеални за дифузију, али морају бити заштићени од корозије премазом или облогом).

Главна ствар коју треба узети у обзир је нижа почетна цена – плоче од нерђајућег челика или ПТФЕ{0}}обложене ће бити јефтиније унапред, али укупни трошкови животног циклуса могу бити већи.

Закључак: врхунска отпорност на корозију, по цени
Титанијумске грејне плоче показују веома високу отпорност на корозију у неким агресивним медијима, посебно у ситуацијама богатим оксидацијом и хлоридима. Самозалеђујући оксидни премаз од титанијума чини га практично неотпорним на пукотине и напонске корозионе пукотине које оштећују нерђајући челик у морској води или врућој сланој води. Плус титанијум има веома добар однос снаге и тежине.

Међутим, титанијум има велике недостатке: ниску топлотну проводљивост (16–22 В/м·К, слично као код нерђајућег челика), висок трошак материјала и израде и осетљивост на флуороводоничну киселину, редукујуће киселине и корозија у пукотинама у врућим хлоридима. За цикличне примене, његова слаба топлотна дифузивност резултира спорим температурним одзивом у односу на алуминијум.

Главни разлог за титанијум је цена животног циклуса. Титанијумска грејна плоча може преживети године у окружењима где би се други материјали покварили за неколико месеци, штедећи трошкове замене и застоје у производњи. Премиум материјали су потребни за екстремне ситуације и сав избор материјала треба да се заснива на укупним трошковима власништва, а не само на куповној цени. Ако је отпорност на корозију најважнија потреба, а температуре су унутар ограничења титанијума, овај метал може да пружи поуздано и издржљиво решење за грејање плоча у високо корозивним ситуацијама.