Za grejnu cijev od titanijuma koja radi u autoklavu pod visokim-pritiskom sa 5% sirćetne kiseline i 200 ppm hlorida na 250 stepeni, koja debljina zida je potrebna da bi se oduprla koroziji pukotina ispod teflonske brtve?

Ključni kompromisi-u dizajniranju titanijumskih grijača za autoklave na visokim{1}}temperaturama
200 ppm hlorida i 5% sirćetne kiseline na 250 stepeni u autoklavima pod visokim pritiskom je teško okruženje za titanijum. Titan je inače otporan na octenu kiselinu, međutim kombinacija visoke temperature, hlorida i teflonske (PTFE) zaptivke predstavlja veliku opasnost od korozije u pukotinama. PTFE zaptivka koja zaptiva prodor grijača kroz glavu autoklava stvara čvrsti zazor na sučelju zaptivke-titanijumskog omotača. U ovoj pukotini, kisik se gubi, hloridi se koncentrišu i pH se lokalno snižava zbog hidrolize titan hlorida. Kritična temperatura pukotina (CCT) titanijuma stepena 2 u rastvorima hlorida je normalno 70-80 stepeni. Na 250 stepeni titanijum je mnogo iznad svog CCT-a i korozija u pukotini će brzo početi osim ako se geometrija pukotina ne promeni ili titanijum legira. Pokretanje nije spriječeno vremenom do perforacije nakon što je korozija u pukotinama počela biti u funkciji debljine stijenke. Ovo istraživanje procjenjuje potrebnu debljinu zida za podnošljiv radni vijek u neizbježnim situacijama pukotina.

Kinetika pukotine korozije na 250 stepeni: implikacije na mehanički integritet
Pasivni premaz na titanijumu stepena 2 je termodinamički nestabilan u prisustvu hlorida na 250 stepeni, čak i u odsustvu fisure. Ujednačena stopa korozije u 5% sirćetnoj kiselini sa 200 ppm Cl- na 250 stepeni je oko 0,1-0,2 mm/god. Međutim, brzina korozije u pukotinama je 10-50 puta veća ispod PTFE brtve. Elektrohemijska ispitivanja u simuliranim uslovima autoklava pokazuju stope rasta pukotina od 2-5 mm/godišnje. Za zid od 1,0 mm ovo predviđa perforaciju u roku od 2,5–6 mjeseci. 2.0 mm zida: perforaciju za 5-12 mjeseci. Perforacija zida 3,0 mm 7-18 mjeseci. Veliko širenje je zbog heterogenosti u kompresiji brtve, završnoj obradi površine i koncentraciji kisika. Važno je da je veza u suštini linearna: udvostručenje debljine zida udvostručuje vreme perforacije. Za razliku od pasivizirane korozije, gdje prednosti debljih zidova mogu eksponencijalno rasti, pukotna korozija na 250 stupnjeva pokazuje linearnu kinetiku zbog nemogućnosti formiranja stabilnog pasivnog premaza koji bi zaustavio napad.

Do kvara dolazi na interfejsu omotača{0}}zaptivke, obično 5-10 mm od ivice zaptivke. Nakon iniciranja, žljeb korozije se brzo razvija. Grijač se kvari curenjem na penetraciji, a ne perforacijom uronjenog dijela. Nakon-pregled kvara pokazuje oštar žljeb-ivice noža ispod brtve.

Utjecaj na toplinske performanse: Gradijent temperature i degradacija brtvila
Toplotni gradijent preko titanijumskog zida na mestu zaptivača je mali, pošto se zaptivka uglavnom nalazi na hladnom kraju grejača (iznad zone zagrevanja). Međutim, toplina koja se prenosi na plašt povećava temperaturu brtve. Za autoklav na 250 stepeni, temperatura površine zaptivača može biti 150-200 stepeni u zavisnosti od debljine zida i dužine nezagrejanog dela. PTFE se razgrađuje iznad 260 stepeni, ali oko 200 stepeni omekšava i puzi, što povećava kompresiju na brtvi i smanjuje zazor u pukotini. plitka fisura (< 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.

Sinteza{0}}o kompromisa: debljina zida za 1 godinu radnog vijeka
Debljina zida (mm) Predviđena stopa korozije pukotina (mm/godišnje na 250 stepeni) Vreme do perforacije (meseci) Temperatura zaptivke (stepen) Preporučeno za 1-godišnji životni vek?
1,0 mm 3,5 mm/god (tipično) 3,5 mjeseca 180 stupnjeva Ne
1,5 mm 3,5 mm/god. 5 mjeseci 185 stupnjeva br
2,0 mm 3,5 mm/godišnje 7 mjeseci 190 stepeni Ne (prekidi prije 12 mjeseci)
2,5 mm 3,5 mm/god 8,5 mjeseci 195 stupnjeva br
3,0 mm 3,5 mm/godina 10 mjeseci 200 stupnjeva Marginalno (ne može doseći 12 mjeseci)
4,0 mm 3,5 mm/godišnje 13,5 mjeseci 210 stepeni Da (Rizik od propadanja PTFE)
Podaci sugeriraju da čak i zid od 4,0 mm neće trajati više od 13,5 mjeseci uz stopu korozije u pukotinama od 3,5 mm/godišnje, a temperatura zaptivke (210 stepeni) je iznad maksimuma preporučenog za PTFE (200 stepeni neprekidno). Ne može se osloniti samo na debljinu zida da će obezbediti životni vek od 1 godine za agresivne uslove pukotina.

Inženjering izvan zida: uklanjanje pukotina i nadogradnja legure
Budući da debljina stijenke samo linearno povećava vijek trajanja od korozije u pukotinama, inženjerski naglasak treba staviti na sprječavanje razvoja pukotina ili nadogradnju legure titana. Prvo, PTFE zaptivka se zamjenjuje sa zavarenim titanijumom-na-vezom prirubnice čime se eliminiše pukotina. Zavareni zaptivač (npr. cijev od titanijuma zavarena na glavu autoklava) uklanja sučelje zaptivke-koje je mjesto korozije. Drugo, kritična temperatura pukotina raste na ~150 stepeni kada se titanijum nadogradi sa stepena 2 na stepen 7 (Ti-0,15% Pd). Na 250 stepeni Grade 7 i dalje korodira, ali na 0,5-1,0 mm godišnje, ili 3-7 puta sporije od Grade 2. Vek trajanja cijevi Grade 7 sa debljinom zida od 2,0 mm je 2-4 godine. Treće, PTFE termoskupljajuća navlaka nanesena je na titanijumski omotač u području brtve. Navlaka služi kao barijera između titanijuma i brtve kako bi se izbjegao direktan kontakt metala i pukotina.

Zaključak: Debljina zida nije dovoljna sama po sebi – potrebno je uklanjanje pukotina
Za titanijumsku grejnu cijev u autoklavu visokog{0}}pritiska sa 5% sirćetne kiseline i 200 ppm hlorida na 250 stepeni, debljina zida neophodna da izdrži koroziju u pukotinama ispod PTFE zaptivke je nerazumno ogromna (4,0 mm ili više) i daje vek trajanja kraći od 1 meseci. Ova temperatura pukotine korozije je linearna (2-5 mm godišnje) stoga deblji zid znači samo odgovarajući duži vijek trajanja. Predloženi lijek je da se titanijumski omotač zavari direktno na titanijumski prsten ili prirubnica da bi se uklonio pukotina ili da se koristi titanijum stepena 7 sa PTFE navlakom. Ako je potrebna penetracija zaptivača, navedite titanijum stepena 7 sa minimalnom debljinom zida od 2,5 mm, PTFE termoskupljajućom čahurom preko područja zaptivke i intervalom od 6 meseci za pregled za urezivanje pukotina. Dajte proizvođaču radnu temperaturu autoklava, koncentraciju klorida i procijenjeni vijek trajanja kako biste odredili najbolju kombinaciju legure, debljine stijenke i metode zaptivanja. U ovom teškom okruženju, debljina zida neće biti dovoljna.