Proč není pro titanový ponorný ohřívač instalovaný v nádrži na roztavenou síru (135 stupňů, obsahuje sirovodík a polysulfidy) výhodná silnější stěna, protože koroze je stejnoměrná a životnost je určena úplným rozpuštěním železa?

Základní kompromis v konstrukci titanového ohřívače pro službu v roztavené síře
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 Koroze je konzistentní, nedochází k důlkové korozi nebo praskání v jedné oblasti. Rychlost je asi 0,05-0,15 mm/rok v závislosti na obsahu H2S. Protože koroze je rovnoměrná, celková ztráta kovu (ztenčení stěny) určuje životnost ohřívače. Větší tloušťka stěny znamená úměrně delší životnost. Dvojnásobná tloušťka stěny znamená dvojnásobnou životnost . Neexistuje však žádná prahová tloušťka, pod kterou se koroze zrychluje nebo nad kterou se zastaví. (Při důlkové korozi dávají silnější stěny klesající výnosy.) Tento výzkum ukazuje důvod jednoduchého lineárního škálování v případě rovnoměrné koroze a optimální tloušťky stěny (1,5-2,0 mm) v případě použití roztavené síry.

Mechanismus rovnoměrné koroze: Vliv na mechanickou integritu
Bylo zjištěno, že povrch titanu přímo reaguje se sírou a polysulfidy v roztavené síře při 135 stupních, což vede k tvorbě disulfidu titanu (TiS2). Povlak TiS 2 je relativně ochranný, ale pomalu se rozpouští nebo odlupuje proudící roztavenou sírou. Rychlost koroze se řídí lineární kinetikou: d=kt, kde k je 0,05–0,15 mm/rok. Neexistuje žádný práh pasivního rozpadu filmu, žádná kritická teplota pro důlkovou korozi a žádný mechanismus pro praskání korozí pod napětím. Koroze je konzistentní po celém ponořeném povrchu.

Nedochází k žádnému lokalizovanému napadení, takže doba do perforace je jednoduše: t_perf=(počáteční tloušťka stěny) / (rychlost koroze). Pokud je rychlost koroze 0,10 mm/rok, 1,2mm stěna bude perforována za 12 let. 15 let pro 1,5mm stěnu. 20 let pro stěnu o tloušťce 2,0 mm. Vztah je dokonalá přímka. Silnější stěna je tedy výhodná v přímé úměře k dodatečnému materiálu. Cena titanu však rovněž lineárně stoupá s tloušťkou. Neexistuje žádná nelineární výhoda z příliš tlustého.

Dopad na tepelný výkon: Pokuta za přenos tepla
Silnější stěna znamená malé, ale skutečné tepelné náklady. Pro typický tepelný tok 2,0 W/cm$^2$ převládá konvekční odpor v roztavené síře (h $\\cca $ 500 W/m$^2$K kvůli vysoké viskozitě). Pro stěnu 1,2 mm R_cond=7.1e-5; pro 2,0 mm stěnu R_cond=1.18e-4. Celkový odpor se zvýší o 8 %, tedy povrchová teplota se zvýší o 2–3 stupně. To trochu urychluje rychlost koroze (asi 10% pro 3'C nárůst), což poněkud neguje výhodu silnější stěny. Celkovým přínosem zvýšení z 1,2 mm na 2,0 mm je prodloužení životnosti z 12 let na přibližně 18 let (ne na 20 let kvůli zrychlení teploty). Zákon klesajících výnosů platí, i když slabě.

Rozdíl-mezi tloušťkou stěny a životností
Tloušťka stěny (mm) Rychlost koroze při 135 stupních (mm/rok) Faktor teplotního zrychlení Efektivní rychlost koroze (mm/rok)Doba do perforace (roky) Relativní cena materiálu 1,0 mm 0.10 1.00× 0.10 10 let 1,0× 1,2 mm 0.10 1.02×1,2 mm 0.10 1.02×1.2 0.10 1.05× 0.105 14.3 let 1,5× 1,8 mm 0.10 1.08× 0.108 16.7 let 1,8× 2,0 mm 0.10 1.10× 0.110 18.2 let 2,0× 2,5 mm 0.10 1.15× 0.115 21.7 let 2,5×
Stěna o tloušťce 2,0 mm má životnost 18 let, o 80 % delší než stěna o tloušťce 1,0 mm, ale o 100 % vyšší náklady na materiál. Stěna o tloušťce 1,5 mm poskytuje 14 let s o 50 % vyššími náklady, což je často nejlepší ekonomický bod.

Inženýrství za zdí: Kontrola teploty a kvalita síry
Koncentrace H2S v roztavené síře je velmi citlivý parametr pro rychlost koroze. V čisté síře (nízký obsah H2S) jsou rychlosti pouhých 0,03 mm/rok. Kyselá síra s vysokým obsahem H2S a polysulfidů může dosahovat až 0,25 mm/rok. Pokud je kvalita síry špatná, je potřeba silnější stěna, ale lepším přístupem je propláchnout sírovou nádrž dusíkem, aby se odstranil H2S, čímž se sníží rychlost koroze o 70–80 %. Dusík Sparging 30+ Roky 1,2 mm Stěna Řízení teploty je také důležité: snížení teploty nádrže ze 135 stupňů na 125 stupňů snižuje rychlost koroze asi o 40 %, což umožňuje tenčí stěny.

Závěr: Lineární přínos-Vyberte zeď jako funkci životnosti a nákladů
Silnější stěna je užitečná pro titanový ponorný ohřívač v nádrži s roztavenou sírou při 135 stupních s H2S a polysulfidy, protože koroze je rovnoměrná a životnost závisí na celkovém množství rozpuštěného kovu. Zdvojnásobení tloušťky stěny zhruba zdvojnásobí životnost (s malou penalizací zrychlením teploty). Doporučená tloušťka stěny: 1,2–1,5 mm po dobu 10 let životnosti; 1,5–1,8 mm po dobu 15 let života; 2,0–2,5 mm po dobu 20 let života. Neexistuje žádný prahový efekt (silnější stěny nefungují). Nejlepší ekonomická volba je obvykle 1,5 mm, což dává životnost 14 let při o 50 % více než 1,0 mm stěny. Poskytněte výrobci odhadovanou koncentraci H₂S a provozní teplotu, aby mohl vypočítat přesnou rychlost koroze. V případě roztavené síry je tloušťka provozní stěny přímou lineární konstrukční proměnnou. Tlustší je lepší, ale dražší-volba pro život potřebný.