Jak změní výběr slitiny titanu (stupeň 7 s palladiem vs. stupeň 12 s molybdenem) požadovanou tloušťku stěny pro ohřev 10% kyseliny mravenčí při bodu varu?

Základní kompromis ve výběru slitiny pro použití s ​​kyselinou mravenčí
Concentrated formic acid (HCOOH, >5 a kolem jeho bodu varu ~100 stupňů při 1 atm) je mírně redukční a agresivně ničí nelegovaný titan. Titan třídy 2 je rovnoměrně napadán vroucí 10% kyselinou mravenčí rychlostí přesahující 0,5 mm za rok a nedoporučuje se pro dlouhodobé použití ponorného ohřívače bez ohledu na tloušťku stěny. Pro toto prostředí jsou obecně specifikovány dvě slitiny titanu. Stupeň 7 (Ti-0,15 % Pd) a Stupeň 12 (Ti-0,3 % Mo-0,8 % Ni). Oba zvyšují odolnost proti korozi pomocí samostatných procesů – palladium zušlechťuje povrch, molybden a nikl zlepšují katodickou kinetiku. Výběr těchto slitin přímo ovlivňuje tloušťku stěny pro dosažení stanovené životnosti, protože rychlost koroze se ve vroucí kyselině mravenčí mění faktorem 3-5. Kromě toho má každá ze slitin své vlastní jedinečné mechanické vlastnosti a tepelnou vodivost, které určují minimální možnou tloušťku stěny pro konstrukci a přenos tepla. Toto šetření hodnotí dopad výběru slitiny na tloušťku stěny požadovanou pro 5letou životnost ve vroucí 10% kyselině mravenčí.

Míry koroze a přípustné hodnoty: Výpočet vlivu na mechanickou integritu
Korozní mechanismy pro stupně 7 a 12 jsou kvalitativně odlišné při varu 10% kyseliny mravenčí při 1000C. Stupeň 7 se skládá z palladia (0,12–0,25 hm. %) rozpuštěného v titanové matrici. Palladium je ušlechtilý kov s vysokým vodíkovým nadpotenciálem a posouvá korozní potenciál titanu do pasivní oblasti, a to i při redukci kyseliny. Ponorné testy podle ASTM G31 ukazují rychlost koroze 0,02-0,05 mm/rok pro stupeň 7 ve vroucí 10% kyselině mravenčí. Stupeň 12 používá molybden a nikl k urychlení reakce katodického vývoje vodíku a je umožněno vytvoření ochranného hydridového povlaku. Ve stejném prostředí je její rychlost koroze 0,10-0,15 mm za rok – asi třikrát vyšší než u třídy 7. S návrhovou životností 5 let a 2násobným bezpečnostním faktorem na korozním přídavku (tj. stěna musí mít dvojnásobnou očekávanou hloubku průniku) je požadovaná tloušťka stěny čistě pro korozní přídavek: pro třídu 7 0,05 mm/rok × 5 let} × {{28} let} × {; pro stupeň 12, 0,15 mm/rok × 5 let × 2=1.5 mm. Proto pouze z hlediska koroze lze třídu 7 použít s tloušťkou stěny jen 1,0 mm (plus 0,5 mm pro mechanickou pevnost), zatímco třída 12 vyžaduje minimálně 2,0 mm, aby byla zajištěna stejná korozní rezerva. Mechanické vlastnosti a tepelná vodivost však přidávají další limity.

Vliv na tepelný výkon: Tepelná vodivost a snížení výkonu
Slitiny titanu při 100 stupních mají podobnou, ale významnou tepelnou vodivost, se stupněm 7 (téměř čistý titan s palladiem) při k ≈ 17,5 W/m·K a stupněm 12 (molybden s niklem) při k ≈ 14,5 W/m·K (o 17 % nižší). Vzhledem ke stejné tloušťce stěny a hustotě výkonu bude plášť třídy 12 pracovat tepleji než plášť třídy 7. Ohřívač Grade 12 má tloušťku stěny 2,0 mm a o 17 % vodivější teplotní spád než ohřívač Grade 7 se stěnou 1,0 mm podle Fourierovy rovnice pro válcové vedení. Ještě důležitější je, že minimální tloušťka stěny pro výrobu není stejná. Stupeň 12 má lepší pevnost (mez kluzu ≈ 480 MPa vs. Stupeň 7 při ≈ 275 MPa), ale menší tažnost (tažnost ≈ 15 % vs. . 20 %). Trubky třídy 12 lze táhnout na tenčí stěnu (minimálně 0,7 mm) než trubky třídy 7 (minimálně 0,9 mm), protože vyšší pevnost umožňuje trubce vydržet namáhání při tažení bez roztržení. Obě tyto slitiny jsou však dostupné ve svařovaných trubkách do 0,5 mm. Praktické omezení je ve schopnosti tvarovat do U-ohybů nebo tvarů na zakázku: Stupeň 12 vyžaduje vyšší poloměry ohybu (minimálně 3× vnější průměr) než stupeň 7 (2,5× vnější průměr), protože je méně tažný. To ovlivňuje geometrii ohřívače a může vyžadovat silnější stěnu, pokud jsou vyžadovány těsné ohyby.

Syntéza výměny-: matice výběru tloušťky stěny pro 5letou službu
Následující matice porovnává stupeň 7 a stupeň 12 pro titanový ponorný ohřívač ve vroucí 10% kyselině mravenčí (100 stupňů, atmosférický tlak) s požadovanou životností 5 let na základě typické hustoty výkonu 2,5 W/cm².

Parametr Grade 7 (Ti-Pd) Grade 12 (Ti-Mo-Ni) Technické důsledky
Korozní rychlost ve vroucí 10% kyselině mravenčí 0,02 – 0,05 mm/rok 0,10 – 0,15 mm/rok Pro stupeň 7 je nutné poskytnout 0,5 mm přídavek na korozi po dobu 5 let Pro stupeň 12 je nutné zajistit 1,5 mm.
Minimální délka stěny na bázi koroze po dobu 5 let (2x faktor bezpečnosti)1,0 mm (přídavek 0,5 mm + 0.5 mm manipulace) 2,0 mm (příspěvek 1,5 mm + 0.5 mm manipulace) Stupeň 7 může být tenký-provedení stěny Stupeň 12 musí být tlustá-stěna
Tepelná vodivost (k) @ 100 stupňů 17,5 W/m K 14,5 W/m KStupeň 12 je o 17 % teplejší pro danou stěnu, což zvyšuje rychlost koroze.
Doporučená tloušťka stěny pro 5 let provozu (vyvážené provedení) 1,0 mm – 1,2 mm 1,8 mm – 2,2 mm Stupeň 7 umožňuje menší, tepelně účinnější ohřívače. Stupeň 12 potřebuje silné stěny, nízkou prostupnost tepla.
U-možnost poloměru ohybu ohřívače trubek2,5× minimální vnější průměr 3,0× minimální vnější průměr Stupeň 12 může vyžadovat větší rozměry ohřívače nebo rovné-návrhy trubek.
Relativní náklady na materiál (na kg) 1,0 (základní hodnota) 0,7 – 0,8 Stupeň 12 je levnější na jednotku hmotnosti, ale potřebná silnější stěna snižuje nebo eliminuje nákladovou výhodu.
Vhodné pro typické aplikace Kyseliny potřebné pro agresivní redukciVhodné pro mírné redukční nebo smíšené kyseliny Pokud potřebujete vařit 10% kyselinu mravenčí, stupeň 7 je technicky lepší alternativou.
Beyond the Wall Engineering: Absorpce vodíku a kvalita svaru
Dalším aspektem při použití kyseliny mravenčí je absorpce vodíku. Palladium stupně 7 umožňuje rekombinaci atomárního vodíku na molekulu H2, která nedifunduje do titanové mřížky. Proto i za katodických podmínek vykazuje stupeň 7 velmi nízkou spotřebu vodíku. Stupeň 12 bez přídavku ušlechtilého kovu umožňuje určitou absorpci vodíku a nikl-molybdenová fáze je schopna tvořit křehké hydridy při delší expozici. U silnostěnného (2,0 mm) ohřívače třídy 12 se vodíkové křehnutí nepředpokládá po dobu 5 let, protože rychlost koroze je dostatečně nízká, aby omezila tvorbu vodíku. Lokalizovaná koroze nebo galvanické spojení však činí stupeň 12 náchylnější k praskání hydridem než stupeň 7. Integrita svaru je také odlišná. Při dostatečném stínění si svary třídy 7 zachovají odolnost proti korozi podobně jako základní kov. Svary stupně 12 mohou podléhat přednostní korozi v tepelně ovlivněné zóně v důsledku segregace molybdenu. Stupeň 12 vyžaduje po-svaření tepelné zpracování není nutné, ale doporučuje se. Pokud je v ohřívačích několik svarových spojů (příruby, jímky atd.), pak je spolehlivější volbou stupeň 7.

Závěr: Tenkostěnný-design povolen se stupněm 7; design tlusté-stěny kompromitovaný stupněm 12
Volba titanové slitiny hluboce ovlivňuje tloušťku stěny potřebnou k zahřátí 10% kyseliny mravenčí na bod varu. Stupeň 7 (Ti-Pd) má rychlost koroze 0,02–0,05 mm/rok, bezpečnou životnost 5{11}}let a tloušťku stěny 1,0–1,2 mm. Rychlost koroze třídy 12 (Ti-Mo-Ni) je 0,10-0,15 mm/rok; tedy tloušťka stěny pro stejnou životnost by měla být 1,8-2,2 mm. Zvýšená tepelná vodivost třídy 7 podporuje přenos tepla a její lepší tažnost umožňuje těsnější ohyby a kompaktnější konstrukce ohřívačů. Třída 12 nabízí nižší náklady na materiál na kilogram, ale silnější stěna potřebná pro materiál kompenzuje nebo neguje jakoukoli cenovou výhodu a nižší tepelná vodivost ovlivňuje energetickou účinnost. Pro nové instalace, kde se musí ohřívat vroucí 10% kyselina mravenčí, je doporučená specifikace třídy 7 s tloušťkou stěny 1,0-1,2 mm. Stupeň 12 by se měl používat pro méně agresivní koncentrace kyseliny mravenčí (méně než 5 procent) nebo pro nižší teploty, kdy zvýšená pevnost a nižší cena mohou ospravedlnit silnější stěnu. Při žádosti o cenovou nabídku uveďte jakost slitiny a tloušťku stěny z údajů o rychlosti koroze poskytnutých výrobcem a požadujte ověření vlastností slitiny ponorným testováním v souladu s NACE TM0169.