Titaaninen lämmitysputki, joka toimii korkeapaineisessa-autoklaavissa, jossa on 5 % etikkahappoa ja 200 ppm kloridia 250 asteessa, mikä seinämän paksuus tarvitaan kestämään rakokorroosiota teflontiivisteen alla?

Kriittiset kompromissit{0}}titaanilämmittimien suunnittelussa korkean lämpötilan{1}}autoklaaveille
200 ppm kloridia ja 5 % etikkahappoa 250 asteessa korkeapaineautoklaaveissa on ankara ympäristö titaanille. Titaani kestää tavallisesti etikkahappoa, mutta korkean lämpötilan, kloridien ja teflon (PTFE) tiivisteen yhdistelmä on suuri rakokorroosion vaara. PTFE-tiiviste, joka tiivistää lämmittimen tunkeutumisen autoklaavin pään läpi, luo tiiviin raon titaanivaipan{5}}tiivisteen rajapintaan. Tässä halkeamassa happea katoaa, kloridit konsentroituvat ja pH laskee paikallisesti titaanikloridin hydrolyysin vuoksi. Grade 2 titaanin kriittinen rakolämpötila (CCT) kloridiliuoksissa on normaalisti 70–80 astetta. 250 asteen kulmassa titaani on paljon CCT:n yläpuolella, ja rakokorroosio alkaa nopeasti, ellei rakogeometriaa muuteta tai titaania seosteta. Alkua ei estä rei'ittämiseen kuluva aika rakokorroosion alkamisen jälkeen, mikä on seinämän paksuuden funktio. Tämä tutkimus arvioi tarvittavan seinämän paksuuden siedettävään käyttöikään väistämättömissä rakotilanteissa.

Rakokorroosion kinetiikka 250 asteessa: vaikutukset mekaaniseen eheyteen
Luokan 2 titaanin passiivinen pinnoite on termodynaamisesti epästabiili kloridien läsnä ollessa 250 asteessa, jopa ilman halkeamia. Tasainen korroosionopeus 5 % etikkahapossa, jossa on 200 ppm Cl- 250 asteessa, on noin 0,1-0,2 mm/vuosi. Rakokorroosion nopeus on kuitenkin 10-50 kertaa suurempi PTFE-tiivisteen alla. Sähkökemialliset testit simuloiduissa autoklaaviolosuhteissa osoittavat rakojen kasvunopeudeksi 2–5 mm/vuosi. 1,0 mm:n seinälle tämä ennustaa rei'ityksen 2,5–6 kuukaudessa. 2.0 mm seinään: 5-12 kuukaudessa. Rei'itetty seinä 3,0 mm 7-18 kk. Suuri leviäminen johtuu tiivisteen puristuksen, pinnan viimeistelyn ja happipitoisuuden heterogeenisyydestä. Tärkeää on, että liitos on olennaisesti lineaarinen: seinämän paksuuden kaksinkertaistuminen kaksinkertaistaa rei'itysajan. Toisin kuin passivoitunut korroosio, jossa paksumpien seinien edut voivat kasvaa eksponentiaalisesti, rakokorroosiolla 250 asteessa on lineaarista kinetiikkaa, koska se ei pysty muodostamaan stabiilia passiivista pinnoitetta hyökkäyksen pysäyttämiseksi.

Vika tapahtuu tiivisteen{0}}vaipan rajapinnassa, yleensä 5–10 mm tiivisteen reunasta. Aloituksen jälkeen korroosioura kehittyy nopeasti. Lämmitin epäonnistuu vuotamalla läpiviennistä eikä upotetun osan rei'ittämisestä. Jälki-virheentarkastuksessa näkyy terävän veitsen-reunaura tiivisteen alla.

Vaikutus lämpösuorituskykyyn: lämpötilagradientti ja tiivisteen huononeminen
Lämpögradientti titaaniseinän poikki tiivistekohdassa on pieni, koska tiiviste sijaitsee yleensä lämmittimen kylmässä päässä (lämmitetyn alueen yläpuolella). Vaipasta ylöspäin siirtyvä lämpö kuitenkin nostaa tiivisteen lämpötilaa. 250 asteen autoklaavissa tiivistealueen lämpötila voi olla 150-200 astetta seinämän paksuudesta ja lämmittämättömän osan pituudesta riippuen. PTFE hajoaa yli 260 astetta, mutta noin 200 asteessa se pehmenee ja hiipii, mikä lisää tiivisteen puristusta ja pienentää rakoväliä. Matala halkeama (< 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.

Kauppa-Synteesi: seinän paksuus 1 vuoden käyttöikään
Seinän paksuus (mm) Arvioitu rakokorroosionopeus (mm/vuosi 250 asteessa) Rei'itysaika (kk) Tiivisteen lämpötila ( aste ) Suositeltava 1 vuoden käyttöikään?
1,0 mm 3,5 mm/v (tyypillinen) 3,5 kuukautta 180 astetta Ei
1,5 mm 3,5 mm/vuosi 5 kuukautta 185 astetta No
2,0 mm 3,5 mm/vuosi 7 kuukautta 190 astetta Ei (tauko ennen 12 kuukautta)
2,5 mm 3,5 mm/v 8,5 kuukautta 195 astetta No
3,0 mm 3,5 mm/vuosi 10 kuukautta 200 astetta marginaali (ei saa olla 12 kuukautta)
4,0 mm 3,5 mm/vuosi 13,5 kuukautta 210 astetta Kyllä (PTFE:n huononemisen riski)
Tiedot viittaavat siihen, että edes 4,0 mm:n seinä ei kestä yli 13,5 kuukautta 3,5 mm/vuosi rakokorroosionopeudella ja tiivisteen lämpötila (210 astetta) ylittää PTFE:lle suositellun maksimin (200 astetta jatkuva). Pelkästään seinämän paksuuteen ei voitu luottaa yhden vuoden käyttöikään aggressiivisissa rako-olosuhteissa.

Engineering Beyond the Wall: Rakojen eliminointi ja seosten päivitys
Koska seinämän paksuus parantaa vain lineaarisesti rakokorroosion käyttöikää, tekninen painopiste tulisi asettaa rakojen muodostumisen estämiseen tai titaaniseoksen parantamiseen. Ensin PTFE-tiiviste korvataan hitsatulla titaani---laippaliitoksella, joka poistaa halkeaman. Hitsattu tiiviste (esim. autoklaavin päähän hitsattu titaaniputki) poistaa tiiviste{6}}vaipan rajapinnan, joka on korroosiokohta. Toiseksi kriittinen rakolämpötila nousee ~150 asteeseen, kun titaani nostetaan arvosta 2 luokkaan 7 (Ti-0,15 % Pd). 250 asteessa Grade 7 syöpyy edelleen, mutta 0,5-1,0 mm vuodessa eli 3-7 kertaa hitaammin kuin Grade 2. Grade 7 putken, jonka seinämäpaksuus on 2,0 mm, käyttöikä on 2-4 vuotta. Kolmanneksi lämpökutistuva PTFE-holkki asetettiin titaanivaippaan tiivistealueelle. Holkki toimii esteenä titaanin ja tiivisteen välillä välttäen suoran metalliraon kosketuksen.

Johtopäätös: Seinämän paksuus ei itsessään riitä – rako on poistettava
Titaanilämmitysputkelle korkeapaineisessa -paineautoklaavissa, jossa on 5 % etikkahappoa ja 200 ppm kloridia 250 asteessa, seinämän paksuus, joka tarvitaan kestämään rakokorroosiota PTFE-tiivisteen alla, on kohtuuttoman suuri (4,0 mm tai enemmän) ja antaa käyttöiän alle 18 kuukautta. Tämä rakokorroosion lämpötila on lineaarinen (2-5 mm vuodessa), joten paksumpi seinä tarkoittaa vain vastaavasti pidempää käyttöikää. Ehdotettu korjauskeino on hitsata titaanivaippa suoraan titaaniholkkuun tai -laippaan rakon poistamiseksi tai käyttää luokan 7 titaania PTFE-holkin suojalla. Jos tarvitaan tiivistetty läpivienti, määritä luokan 7 titaani, jonka seinämän paksuus on vähintään 2,5 mm, lämpökutistuva PTFE-holkki tiivistealueen päällä ja 6 kuukauden tarkastusväli rakojen uralle. Ilmoita valmistajalle autoklaavin käyttölämpötila, kloridipitoisuus ja arvioitu käyttöikä määrittääksesi parhaan yhdistelmän seoksesta, seinämänpaksuudesta ja tiivistysmenetelmästä. Tässä vaikeassa ympäristössä seinämän paksuus ei riitä.