40-prosenttisen natriumhydroksidiliuoksen esilämmittämiseen 80 asteessa käytettävälle titaanilämmitysputkelle miksi luokan 7 titaani on parempi kuin luokan 2, vaikka se on samasta seinän paksuudesta?

The Fundamental Trade{0}}Offs in Titanium Grade Selection for Caustic Service
Titaani ei ainoastaan ​​kestä hyvin korroosiota useimmissa vesiliuoksissa, vaan sillä on myös erinomainen korroosionkestävyys kuumissa, väkevöityisissä emäksissä liuoksissa, kuten natriumhydroksidissa (NaOH). Luokan 2 titaani (kaupallisesti puhdas) muodostaa titaanidioksidista suojaavan kalvon neutraaleissa ja happamissa liuoksissa, mutta oksidikalvo liukenee muodostaen liukoista natriumtitanaattia tiivistetyssä emäksisessä aineessa korkeassa lämpötilassa. Tämä johtaa johdonmukaiseen ohenemiseen ja mikä tärkeintä vedyn imeytymiseen, mikä johtaa haurastumiseen. Titaani (Ti-0,15 % Pd) luokan 7 sisältää palladiumia, jalometallia, joka siirtää korroosiopotentiaalin passiiviselle alueelle jopa pelkistävissä tai syövyttävissä ympäristöissä. Palladiumin sisällyttäminen mahdollistaa 7. luokan kestävän passiivikalvon muodostamisen 40-prosenttisessa NaOH:ssa 80 asteessa, kun taas Grade 2 syövyttää ei-toivottua tahtia. Tässä analyysissä verrataan kahta laatua samalla seinäpaksuudella ja miksi Grade 7 valitaan, vaikka materiaalikustannukset ovat korkeammat.

"Mekaaniset eheysongelmat – korroosio ja vetyhauristuminen emäksissä"
Luokan 2 titaanin korroosionopeus on 0,1–0,3 mm vuodessa 40-prosenttisessa NaOH:ssa 80 asteessa, perustuen upotustestiin ASTM G31 . mukaan. Tyypillisellä 1,2 mm:n seinämänpaksuudella tämä vastaa 4–12 vuoden rei'itysaikaa, mikä olisi sen arvoista. Vakavin vikaskenaario on kuitenkin vetyhaurastuminen. Syövyttävässä korroosioreaktiossa syntyy atomivetyä: Ti + 4OH⁻ → TiO₂ + 2H₂O + 4e⁻ (anodinen) 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻-muodossa (katodiini- ja ftaattisetium-attamiini) hauras titaanihydridi (TiH 2 ) raerajoilla. Grade 2, 40 % NaOH:ssa 80 asteessa, vedynottonopeus on noin 50-100 ppm/kk. Yli 200-300 ppm vetypitoisuudessa titaani muuttuu hauraaksi ja halkeilee lämpö- tai jäännösjännityksen vaikutuksesta. Tämä haurastumishäiriö tapahtuu ennen kuin seinä on ohentunut paljon ja usein vain vähän näkyvää korroosiota. Syövyttävissä esilämmittimissä luokan 2 titaaniputkien kenttävauriot syntyvät hitsien halkeamien tai taivutussäteiden muodossa 12-18 kuukauden kuluessa. Seinämän paksuus on kuitenkin lähellä alkuperäistä.

Asteen 7 titaani, jossa on 0,12-0,25 prosenttia palladiumia, toimii eri tavalla. Palladium on katodinen katalyytti atomivedyn rekombinaatioon molekyyliksi H2, joka ei pääse titaanihilaan. Asteen 7 korroosiopotentiaali 40 % NaOH:ssa 80 asteessa on suunnilleen +0.2 V vs. SHE, verrattuna -0,3 V:iin Grade 2 - 500 mV siirtymä passiiviselle alueelle. Korroosionopeus Grade 7:ssä on alle 0,01 mm/v ja vedyn absorptiota ei voida havaita (<1 ppm/mo). A similar Grade 7 tube with a wall thickness of 1.2 mm has a service life of more than 10 years limited by mechanical considerations only, not by corrosion or embrittlement.

Vaikutus lämpösuorituskykyyn: Sama lämmönsiirto
Luokan 2 ja 7 titaanin lämmönjohtavuus on hyvin samanlainen (17 W/m·K 80 asteessa), koska palladiumin lisäys on vain 0,15 %. Ulkopinnan lämpötila ja lämmönsiirtonopeus ovat samat samalla seinäpaksuudella ja tehotiheydellä. Luokan 7 valitseminen ei siis aiheuta lämpökustannuksia. Suurin haittapuoli on materiaalikustannusten ero (luokka 7 on noin 50-70 % kalliimpi kuin luokka 2).

Kaustisen palvelutason valintamatriisi: Synthesis of the Trade{0}}off
NaOH-pitoisuus ja lämpötila Grade 2 Life (1,2 mm seinä) Grade 7 Life (1,2 mm seinä) Suositeltu luokka ydintekniikan perustelut
20 % NaOH, 60 astetta > 10 vuotta > 15 vuotta Grade 2 Grade 2 on riittävä; Arvosana 7 on yli-määritelty.
30 % NaOH, 70 astetta 3 – 5 vuotta (haurastumista) 10 vuotta Grade 7 Grade 2 epäonnistuu vetysäröillä ennen korroosion aiheuttamaa rei'itystä.
40% NaOH, 80°C 1 to 2 years (embrittlement) >10 vuotta Luokka 7 Luokka 2 ei sovellu. Palladiumin lisäys tarvitaan.
50 % NaOH, 90oC < 6 kuukautta 5 – 8 vuotta Grade 7 Jopa luokka 7 on lyhentänyt käyttöikää; tutkia muita materiaaleja.
40 % NaOH, 80 astetta, klorideilla (kontaminoitunut) < 6 kuukautta 3 – 5 vuotta Luokka 7 + CP Kloridit lisäävät pistesyttymistä, CP saattaa olla tarpeen.
Tekniikka korkealuokkaista: Pinnan kunto ja hitsaus
Asteen 7 titaani toimii odotetulla tavalla syövyttävässä käytössä vain, jos pinnalla ei ole rautakontaminaatiota. Upotettujen rautahiukkasten muodostamat galvaaniset solut vahingoittavat paikallisesti passiivista kerrosta ja johtavat pistesyöpymiseen jopa 7. asteessa. Valmistusta seuraa peittaus 10 % HNO₃ + 2 % HF:ssa 5 minuutin ajan pintaraudan poistamiseksi. Hitsausluokka 7 noudattaa samoja varotoimenpiteitä kuin Grade 2 (argonsuojaus, ei kontaminaatiota) ja hitsausmetalli säilyttää korroosionkestävyyden samalla tavalla kuin perusmetalli, koska palladium pysyy liuoksessa. Hitsauksen jälkeinen hehkutus ei ole välttämätön emäshuoltoon, mutta sitä voidaan käyttää jännityksen lievitykseen.

Johtopäätös: Paksumpi emäs vaatii luokkaa 7 jopa samalla seinäpaksuudella
Laadun 7 titaani on erittäin parempi kuin luokan 2 titaani titaanilämmitinputkessa, joka lämmittää 40 % natriumhydroksidia 80 asteessa, vaikka molemmilla on sama seinämän paksuus. Grade 2 epäonnistuu vetyhaurastumisen vuoksi 1-2 vuoden kuluttua johtuen emäksisen korroosioreaktion vedyn imeytymisestä. Luokka 7 pysyy passiivisena ja vastustaa vedyn ottoa yli 10 vuoden ajan. 0,15 % palladiumin läsnäolo muuttaa korroosiopotentiaalin passiiviselle alueelle, vähentää korroosionopeutta kertoimella 30 ja estää vedyn imeytymisen. Lämpötehokkuuden kannalta näiden kahden luokan välillä ei ole eroa. Grade 7:n materiaalikustannusten nousu on perusteltua sen huomattavasti pidemmällä käyttöiällä. Käytä tiivistettyä emäshuoltoa varten Grade 7 titaanilämmittimiä, joissa on dokumentoitu palladiumpitoisuus (0,12–0,25 %) ja valmistuksen jälkeinen peittaus puhtaan, passiivisen pinnan luomiseksi. Tässä sovelluksessa Grade 2 tulee hylätä seinämän paksuudesta riippumatta.