Какая толщина стенки необходима для титановой нагревательной трубки, работающей в автоклаве высокого- давления с 5 % уксусной кислоты и 200 ppm хлорида при температуре 250 градусов, чтобы противостоять щелевой коррозии под тефлоновой прокладкой?

Важные компромиссы-при разработке титановых нагревателей для высоко-температурных автоклавов
200 ppm хлорида и 5% уксусной кислоты при температуре 250 градусов в автоклавах высокого давления — суровая среда для титана. Титан обычно устойчив к уксусной кислоте, однако сочетание высокой температуры, хлоридов и тефлоновой (ПТФЭ) прокладки представляет собой серьезную опасность щелевой коррозии. Прокладка из ПТФЭ, герметизирующая проход нагревателя через головку автоклава, создает плотный зазор на границе раздела прокладок титановой оболочки-. В этой трещине происходит потеря кислорода, концентрирование хлоридов и локальное понижение рН за счет гидролиза хлорида титана. Критическая температура щели (CCT) титана Grade 2 в растворах хлоридов обычно составляет 70–80 градусов. При 250 градусах температура титана значительно превышает его CCT, и щелевая коррозия начнется быстро, если не изменить геометрию щели или не легировать титан. Инициирование не предотвращается временем перфорации после того, как щелевая коррозия началась и зависит от толщины стенки. В этом исследовании оценивается необходимая толщина стенки для приемлемого срока службы в неизбежных ситуациях, связанных с образованием щелей.

Кинетика щелевой коррозии при 250 градусах: влияние на механическую целостность
Пассивное покрытие на титане Grade 2 термодинамически неустойчиво в присутствии хлоридов при температуре 250 градусов даже при отсутствии трещины. Равномерная скорость коррозии в 5% уксусной кислоте с 200 ppm Cl- при 250 градусах составляет около 0,1-0,2 мм/год. Однако скорость щелевой коррозии под тефлоновой прокладкой в ​​10-50 раз выше. Электрохимические испытания в условиях, моделирующих автоклав, показывают скорость роста щелей 2–5 мм/год. Для стенки 1,0 мм это прогнозирует перфорацию через 2,5–6 мес.. 2.0 стенка мм: перфорация через 5–12 мес. Перфорационная стенка 3,0 мм 7-18 мес. Большой разброс обусловлен неоднородностью сжатия прокладки, чистотой поверхности и концентрацией кислорода. Важно отметить, что соединение по существу линейное: увеличение толщины стенки в два раза удваивает время перфорации. В отличие от пассивированной коррозии, где преимущества более толстых стенок могут расти в геометрической прогрессии, щелевая коррозия при 250 градусах демонстрирует линейную кинетику из-за неспособности сформировать стабильное пассивное покрытие, чтобы остановить коррозию.

Разрушение происходит на границе раздела прокладки-оболочки, обычно на расстоянии 5–10 мм от края прокладки. После инициирования канавка коррозии развивается быстро. Нагреватель выходит из строя из-за утечки в месте проникновения, а не из-за перфорации погруженной части. Осмотр после-неисправности показывает острую канавку-на кромке под прокладкой.

Влияние на тепловые характеристики: температурный градиент и деградация прокладок
Температурный градиент на титановой стенке в месте прокладки невелик, поскольку прокладка обычно располагается на холодном конце нагревателя (над зоной нагрева). Однако тепло, передаваемое вверх по оболочке, увеличивает температуру прокладки. Для автоклава при температуре 250 градусов температура зоны прокладки может составлять 150–200 градусов в зависимости от толщины стенки и длины ненагреваемой части. ПТФЭ разрушается при температуре более 260 градусов, но при температуре около 200 градусов он размягчается и расползается, что увеличивает сжатие прокладки и уменьшает щелевой зазор. Неглубокая трещина(< 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.

Компромисс-синтеза: толщина стенок при сроке службы 1 год
Толщина стенки (мм) Прогнозируемая скорость щелевой коррозии (мм/год при 250 градусах) Время до перфорации (месяцы) Температура прокладки (градусы) Рекомендуется на срок службы 1 год?
1,0 мм 3,5 мм/год (типично) 3,5 месяца 180 градусов Нет
1,5 мм 3,5 мм/год 5 месяцев 185 градусов Нет
2,0 мм 3,5 мм/год 7 месяцев 190 градусов Нет (перерывы до 12 месяцев)
2,5 мм 3,5 мм/год 8,5 месяцев 195 градусов Нет
3,0 мм 3,5 мм/год 10 месяцев 200 градусов Маргинальный (может не достигать 12 месяцев)
4,0 мм 3,5 мм/год 13,5 месяцев 210 градусов Да (риск разрушения ПТФЭ)
Данные показывают, что даже стенка толщиной 4,0 мм не прослужит более 13,5 месяцев при скорости щелевой коррозии 3,5 мм/год, а температура прокладки (210 градусов) превышает максимально рекомендуемую для ПТФЭ (непрерывная 200 градусов). Нельзя полагаться только на толщину стенок, чтобы обеспечить срок службы 1 год в агрессивных щелевых условиях.

Инженерное дело за стеной: устранение щелей и обновление сплава
Поскольку толщина стенки только линейно увеличивает срок службы щелевой коррозии, инженерный акцент должен быть сделан на предотвращении образования щелей или модернизации титанового сплава. Сначала прокладка из ПТФЭ заменяется сварным соединением из титана-с-фланцем, устраняющим трещину. Сварное уплотнение (например, титановая патрубок, приваренная к головке автоклава) удаляет прокладку-интерфейс оболочки, который является местом коррозии. Во-вторых, критическая температура щели повышается до ~150 градусов при повышении класса титана со 2 до 7 (Ti-0,15% Pd). При 250 градусах 7-я марка еще корродирует, но со скоростью 0,5-1,0 мм в год, или в 3-7 раз медленнее, чем 2-я марка. Срок службы трубы 7-й марки с толщиной стенки 2,0 мм составляет 2-4 года. В-третьих, на титановую оболочку в области прокладки была нанесена термоусадочная манжета из ПТФЭ. Втулка служит барьером между титаном и прокладкой, чтобы избежать прямого контакта металла с щелью.

Вывод: Толщина стенки сама по себе недостаточна – требуется устранение щелей.
Для титановой нагревательной трубки в автоклаве высокого-давления с 5 % уксусной кислоты и 200 ppm хлорида при 250 градусах толщина стенки, необходимая для того, чтобы противостоять щелевой коррозии под тефлоновой прокладкой, неоправданно велика (4,0 мм или более) и обеспечивает срок службы менее 18 месяцев. Эта температура щелевой коррозии является линейной (2-5 мм в год), поэтому более толстая стенка означает соответственно более длительный срок службы. Предлагаемое решение состоит в том, чтобы приварить титановую оболочку непосредственно к титановому наконечнику или фланцу, чтобы удалить щель, или использовать титан класса 7 с барьерной втулкой из ПТФЭ. Если требуется прокладка с прокладкой, укажите титан класса 7 с минимальной толщиной стенки 2,5 мм, термоусадочную манжету из ПТФЭ на области прокладки и интервал проверки 6 месяцев для проверки канавок в щелях. Сообщите производителю рабочую температуру автоклава, концентрацию хлоридов и расчетный срок службы, чтобы определить наилучшее сочетание сплава, толщины стенок и метода уплотнения. В таких суровых условиях толщины стен будет недостаточно.