Почему для титанового погружного нагревателя, установленного в резервуаре с расплавленной серой (135 градусов, содержит сероводород и полисульфиды), более толстая стенка невыгодна, поскольку коррозия однородна, а срок службы определяется полным растворением железа?

Фундаментальный компромисс при проектировании титанового нагревателя для работы в расплавленной сере
Molten sulphur tanks are maintained at 135°C to keep sulphur in liquid form for transportation or processing. The sulfur is saturated with hydrogen sulfide (H₂S) and polysulfides (H₂S_x) in solution. Titanium immersion heaters are utilized because titanium has strong resistance to sulphur and sulphides at moderate temperatures. However, titanium corrodes in molten sulfur by a chemical process: Ti + 2S ->TiS₂ Коррозия постоянная, без точечной коррозии или трещин на одном участке. Скорость составляет около 0,05-0,15 мм/год в зависимости от содержания H2S. Поскольку коррозия носит равномерный характер, общая потеря металла (утончение стенок) определяет срок службы нагревателя. Большая толщина стенок означает пропорционально больший срок службы. Двойная толщина стенок означает двойной срок службы. Но не существует пороговой толщины, ниже которой коррозия ускоряется или выше которой она прекращается. (При питтинговой коррозии более толстые стенки дают уменьшающуюся отдачу.) Данное исследование показывает причину простого линейного образования окалины в случае равномерной коррозии и оптимальной толщины стенки (1,5-2,0 мм) в случае эксплуатации с расплавленной серой.

Механизм равномерной коррозии: влияние на механическую целостность
Было обнаружено, что поверхность титана напрямую реагирует с серой и полисульфидами в расплавленной сере при температуре 135 градусов, что приводит к образованию дисульфида титана (TiS2). Покрытие TiS 2 является относительно защитным, но медленно растворяется или отслаивается под действием текущей расплавленной серы. Скорость коррозии подчиняется линейной кинетике: d=kt, где k составляет 0,05–0,15 мм/год. Не существует порога разрушения пассивной пленки, критической температуры точечной коррозии и механизма коррозионного растрескивания под напряжением. Коррозия постоянна по всей погруженной поверхности.

Локализованного воздействия нет, поэтому время до перфорации равно: t_perf=(начальная толщина стенки) / (скорость коррозии). Если скорость коррозии составляет 0,10 мм/год, стенка толщиной 1,2 мм будет перфорирована за 12 лет. 15 лет для стенки толщиной 1,5 мм. 20 лет для стенки толщиной 2,0 мм. Отношение представляет собой идеальную прямую линию. Поэтому преимущество более толстой стенки прямо пропорционально количеству дополнительного материала. Однако стоимость титана также линейно возрастает с толщиной. Чрезмерная толщина не дает никакой нелинейной выгоды.

Влияние на тепловые характеристики: ухудшение теплопередачи
Более толстая стена влечет за собой небольшие, но реальные тепловые затраты. При типичном тепловом потоке 2,0 Вт/см$^2$ в расплавленной сере преобладает конвективное сопротивление (h $\\approx$ 500 Вт/м$^2$К из-за высокой вязкости). Для стены толщиной 1,2 мм R_cond=7.1e-5; для стены толщиной 2,0 мм R_cond=1.18e-4. Общее сопротивление увеличивается на 8%, следовательно, температура поверхности увеличивается на 2–3 градуса. Это немного ускоряет скорость коррозии (около 10% при повышении температуры на 3 градуса), что несколько сводит на нет преимущество более толстой стенки. Общая выгода от увеличения толщины с 1,2 мм до 2,0 мм заключается в продлении срока службы с 12 лет примерно до 18 лет (а не 20 лет из-за ускорения температуры). Закон убывающей доходности выполняется, хотя и слабо.

Компромисс-между толщиной стенки и сроком службы
Толщина стенки (мм) Скорость коррозии при 135 градусах (мм/год) Температурный коэффициент ускорения Эффективная скорость коррозии (мм/год) Время до перфорации (лет) Относительная стоимость материала 1,0 мм 0.10 1.00× 0.10 10 лет 1,0× 1,2 мм 0.10 1.02× 0.102 11.8 лет 1,2× 1,5 мм 0.10 1.05× 0.105 14.3 лет 1,5× 1,8 мм 0.10 1.08× 0.108 16.7 лет 1,8× 2,0 мм 0.10 1.10× 0.110 18.2 лет 2,0× 2,5 мм 0.10 1.15× 0.115 21.7 лет 2,5×
Стена толщиной 2,0 мм имеет срок службы 18 лет, что на 80% дольше, чем стена толщиной 1,0 мм, но при этом стоимость материала на 100% выше. Стенка толщиной 1,5 мм обеспечивает срок службы 14 лет при увеличении затрат на 50 %, что зачастую является лучшим экономическим достижением.

Инженерное дело за стеной: контроль температуры и качество серы
Концентрация H₂S в расплавленной сере является очень чувствительным параметром скорости коррозии. В случае чистой серы (с низким содержанием H2S) уровень выбросов составляет всего 0,03 мм/год. Содержание кислой серы с высоким содержанием H2S и полисульфидов может достигать 0,25 мм/год. Если качество серы плохое, необходима более толстая стенка, но лучшим подходом является продувка серного резервуара азотом для удаления H2S, что снижает скорость коррозии на 70–80 %. Барботирование азота 30+ Годы Стенка 1,2 мм Управление температурой также важно: снижение температуры резервуара со 135 до 125 градусов снижает скорость коррозии примерно на 40 %, что позволяет сделать стенки более тонкими.

Вывод: линейная выгода.-Выберите стену как функцию срока службы и стоимости.
Более толстая стенка полезна для титанового погружного нагревателя в резервуаре с расплавленной серой при температуре 135 градусов с H2S и полисульфидами, поскольку коррозия однородна, а срок службы зависит от общего количества растворенного металла. Удвоение толщины стенки примерно удваивает срок службы (с небольшим штрафом из-за температурного ускорения). Рекомендуемая толщина стенки: 1,2–1,5 мм на 10 лет жизни; 1,5–1,8 мм за 15 лет жизни; 2,0–2,5 мм за 20 лет жизни. Порогового эффекта нет (более толстые стены не работают). Лучшим экономическим выбором обычно является толщина 1,5 мм, что обеспечивает срок службы 14 лет при толщине стенки на 50 % больше, чем 1,0 мм. Предоставьте производителю расчетную концентрацию H₂S и рабочую температуру, чтобы он мог рассчитать точную скорость коррозии. В случае расплавленной серы толщина рабочей стенки является прямой линейной расчетной переменной. Чем толще, тем лучше, но и дороже.-Выбирайте на всю жизнь.