Jaká tloušťka stěny je potřeba pro odolnost proti korozi štěrbiny pod teflonovým těsněním pro titanovou topnou trubici pracující ve vysokotlakém-autoklávu s 5% kyselinou octovou a 200 ppm chloridu při 250 stupních?

Zásadní kompromisy-při navrhování titanových ohřívačů pro vysokoteplotní-autoklávy
200 ppm chloridu a 5% kyseliny octové při 250 stupních ve vysokotlakých autoklávech je drsné prostředí pro titan. Titan je normálně odolný vůči kyselině octové, avšak kombinace vysoké teploty, chloridů a teflonu (PTFE) těsnění představuje velké nebezpečí pro štěrbinovou korozi. Těsnění z PTFE utěsňující průnik ohřívače přes hlavu autoklávu vytváří těsnou mezeru na rozhraní titanového pouzdra-. V této puklině se ztrácí kyslík, koncentrují se chloridy a lokálně se snižuje pH v důsledku hydrolýzy chloridu titaničitého. Kritická štěrbinová teplota (CCT) titanu stupně 2 v chloridových roztocích je normálně 70–80 stupňů. Při 250 stupních je titan mnohem nad svým CCT a štěrbinová koroze začne rychle, pokud se nezmění geometrie štěrbiny nebo není legován titan. Iniciaci nezabrání čas do perforace po začátku štěrbinové koroze, která je funkcí tloušťky stěny. Tento výzkum odhaduje potřebnou tloušťku stěny pro tolerovatelnou životnost v situacích nevyhnutelných štěrbin.

Kinetika štěrbinové koroze při 250 stupních: Důsledky pro mechanickou integritu
Pasivní povlak na titanu Grade 2 je termodynamicky nestabilní v přítomnosti chloridů při 250 stupních, a to i v nepřítomnosti trhliny. Jednotná rychlost koroze v 5% kyselině octové s 200 ppm Cl- při 250 stupních je asi 0,1-0,2 mm/rok. Rychlost štěrbinové koroze je však pod těsněním z PTFE 10-50krát vyšší. Elektrochemické testy v simulovaných podmínkách autoklávu ukazují rychlost růstu štěrbiny 2–5 mm/rok. U stěny 1,0 mm to předpovídá perforaci během 2,5–6 měsíců. 2.0 mm stěna: perforace za 5–12 měsíců. Perforační stěna 3,0 mm 7-18 měsíců. Velké rozšíření je způsobeno heterogenitou stlačení těsnění, povrchovou úpravou a koncentrací kyslíku. Důležité je, že spojení je v podstatě lineární: zdvojnásobení tloušťky stěny zdvojnásobí dobu perforace. Na rozdíl od pasivované koroze, kde výhody silnějších stěn mohou exponenciálně narůstat, štěrbinová koroze při 250 stupních vykazuje lineární kinetiku kvůli neschopnosti vytvořit stabilní pasivní povlak k zastavení útoku.

K poruše dochází na rozhraní-těsnění, obvykle 5–10 mm od okraje těsnění. Po iniciaci se drážka koroze vyvíjí rychle. Ohřívač selže netěsností na prostupu a ne perforací ponořené části. Kontrola po-poruše ukazuje ostrou drážku-ostří nože pod těsněním.

Vliv na tepelný výkon: Teplotní gradient a degradace těsnění
Tepelný gradient napříč titanovou stěnou v místě těsnění je malý, protože těsnění je obecně umístěno na studeném konci ohřívače (nad vyhřívanou zónou). Teplo přenášené přes plášť však zvyšuje teplotu těsnění. U autoklávu při 250 stupních může být teplota oblasti těsnění 150–200 stupňů v závislosti na tloušťce stěny a délce nezahřívané části. PTFE se rozpadá nad 260 stupňů, ale kolem 200 stupňů měkne a teče, což zvyšuje kompresi na těsnění a snižuje mezeru ve štěrbině. mělká trhlina (< 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.

Vyměňte-syntézu: tloušťku stěny za 1 rok životnosti
Tloušťka stěny (mm) Předpokládaná rychlost štěrbinové koroze (mm/rok při 250 stupních) Doba do perforace (měsíce) Teplota těsnění (stupně) Doporučeno pro 1-roční životnost?
1,0 mm 3,5 mm/rok (typicky) 3,5 měsíce 180 stupňů Ne
1,5 mm 3,5 mm/rok 5 měsíců 185 stupňů No
2,0 mm 3,5 mm/rok 7 měsíců 190 stupňů Ne (přerušení před 12 měsíci)
2,5 mm 3,5 mm/rok 8,5 měsíce 195 stupňů No
3,0 mm 3,5 mm/rok 10 měsíců 200 stupňů Okraj (nemusí dosáhnout 12 měsíců)
4,0 mm 3,5 mm/rok 13,5 měsíců 210 stupňů Ano (Riziko zhoršení PTFE)
Údaje naznačují, že ani 4,0 mm stěna nevydrží déle než 13,5 měsíce při rychlosti štěrbinové koroze 3,5 mm/rok a teplota těsnění (210 stupňů) je nad maximem doporučeným pro PTFE (200 stupňů spojitě). Na samotnou tloušťku stěny se nelze spolehnout, že poskytne životnost 1 rok pro agresivní štěrbinové podmínky.

Engineering Beyond the Wall: Eliminace trhlin a vylepšení slitin
Protože tloušťka stěny zlepšuje životnost štěrbinové koroze pouze lineárně, měl by být technický důraz kladen na zabránění vzniku štěrbiny nebo na vylepšení titanové slitiny. Nejprve je PTFE těsnění nahrazeno svařovaným titanovým-přírubovým spojem-, čímž se eliminuje trhlina. Svařené těsnění (např. titanová trubka přivařená k hlavě autoklávu) odstraňuje těsnění- rozhraní pláště, které je místem koroze. Za druhé, kritická teplota štěrbiny stoupne na ~150 stupňů, když je titan upraven ze stupně 2 na stupeň 7 (Ti-0,15 % Pd). Při 250 stupních stupeň 7 stále koroduje, ale rychlostí 0,5-1,0 mm za rok nebo 3–7krát pomaleji než stupeň 2. Životnost trubky stupně 7 s tloušťkou stěny 2,0 mm je 2–4 roky. Za třetí, PTFE teplem smrštitelná manžeta byla aplikována na titanové pouzdro v oblasti těsnění. Objímka slouží jako bariéra mezi titanem a těsněním, aby se zabránilo přímému kontaktu kovu se štěrbinou.

Závěr: Tloušťka stěny není sama o sobě dostatečná – nutné odstranění štěrbiny
U titanové topné trubice ve vysokotlakém -autoklávu s 5% kyselinou octovou a 200 ppm chloridu při 250 stupních je tloušťka stěny nutná k tomu, aby odolala štěrbinové korozi pod těsněním z PTFE, nepřiměřeně obrovská (4,0 mm nebo více) a poskytuje životnost méně než 18 měsíců. Tato teplota štěrbinové koroze je lineární (2-5 mm za rok), proto silnější stěna znamená odpovídající delší životnost. Navrhovaným řešením je navařit titanové pouzdro přímo na titanovou objímku nebo přírubu, aby se odstranila štěrbina, nebo použít titan třídy 7 s bariérou z PTFE. Je-li zapotřebí utěsněný prostup, specifikujte titan třídy 7 s minimální tloušťkou stěny 2,5 mm, teplem smrštitelnou manžetou z PTFE na ploše těsnění a 6měsíčním intervalem kontroly pro drážkování štěrbin. Poskytněte výrobci provozní teplotu autoklávu, koncentraci chloridů a odhadovanou životnost, aby mohl určit nejlepší kombinaci slitiny, tloušťky stěny a metody těsnění. V tomto náročném prostředí nebude tloušťka stěny dostatečná.