Proč silná (2,0 mm) titanová stěna poskytuje lepší ochranu před křehkým lomem způsobeným peroxidem- než tenká (1,0 mm) stěna?

Například při procesu bělení, chemické syntézy nebo čištění odpadních vod musí procesní inženýr provozující titanový ponorný ohřívač v roztoku obsahujícím peroxid vodíku (H2O2) vyhodnotit nebezpečí křehkého lomu způsobeného peroxidem jako významný konstrukční faktor. Na titanových površích se peroxid vodíku rozkládá na atomární kyslík a za určitých podmínek atomový vodík. Vodík difunduje do titanové mřížky a tvoří křehký hydrid titanu (TiHx). Silnější stěna (2,0 mm) nabízí lepší ochranu proti křehkému lomu vyvolanému hydridem- než tenká stěna (1,0 mm) prostřednictvím dvou mechanismů: delší difúzní vzdálenost pro vodík k dosažení kritické koncentrace a větší zbývající tloušťka stěny po výrobě povrchového hydridu. Kvantitativní studie ukazují, že stěna o tloušťce 2,0 mm odolá 4–8krát vyšší absorpci vodíku, než dojde ke křehkému lomu, ve srovnání se stěnou o tloušťce 1,0 mm, což prodlužuje životnost 3–6krát v peroxidovém provozu.

Mechanismus peroxidem-indukované absorpce vodíku v titanu
Titanium surfaces catalyze the exothermic decomposition of hydrogen peroxide . 2H2O2 ->2H2O + O2. Tento rozklad vytváří velmi oxidační prostředí, které obvykle stabilizuje pasivní film TiO2. Avšak v lokalizovaných oblastech, kde je koncentrace peroxidu vysoká nebo teplota přesahuje 60 stupňů, dochází k sekundární reakci: H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O (katodická redukce), která může poskytnout atomový vodík jako meziprodukt. Atomový vodík se spíše absorbuje do titanové mřížky, než aby se rekombinoval jako plyn H2. Jakmile je vodík uvnitř titanu, difunduje do oblastí namáhaných tahem (obvykle vnější povrch během teplotních cyklů). Srážení hydridem titaničitým (TiH2) nastává, když místní koncentrace vodíku překročí přibližně 150 hmotnostních dílů na milion (150 ppmw). Hydridové destičky jsou křehké a vedou k objemové expanzi o přibližně 17 %, což vytváří vnitřní pnutí, která způsobují praskliny. Zlomenina je rychlá a vážná, s malým varováním.

Kvantifikace vlivu tloušťky stěny na odolnost proti lomu hydridu
Tloušťka stěny (mm) Doba k dosažení kritické koncentrace H (150 ppmw) na povrchu (měsíce) Kritická koncentrace H ve střední stěně (ppm w) Když povrch dosáhne 150 ppmw Doba průchodu-Popraskání hydridu zdi (měsíce) Relativní životnost 1.0 3 120 4-5 1.0x 1.2 4 100 6-7 1.5x 1.7 7 70 11-14 2.8x{8}x {{7}x2.0 9 55 15-20 4.0x
2,0 mm stěna poskytuje téměř 4krát delší životnost než 1,0 mm stěna při stejném ošetření peroxidem. V tlustší stěně trvá vodíku déle, než difunduje do střední stěny, aby se dosáhlo kritické koncentrace, a jakmile začne tvorba hydridu, silnější stěna má také větší strukturální stabilitu.

Průvodce pro výběr tloušťky stěny peroxidového potrubí založený na scénářích
Teplota a koncentrace peroxidu Rychlost rozkladu H2O2 Doporučená tloušťka stěny Předpokládaná životnost Režim selhání
1–5 % H₂O₂, 40 stupňů (bělení, nízké nebezpečí)1,5 mm < 5-8 let Rovnoměrná koroze (bez hydridu)
5–15 % H₂O₂, 50 stupňů (střední riziko) Střední 1,5–2,0 mm 3–5 let Hydrid v zónách svaru nejprve 15–30 % H₂O₂, 60 stupňů (vysoké riziko) Vysoký 2,0–2,5 mm 1,5–3 roky} praskání, 3% nukleární trhlina{14} H₂O₂, > 60 stupňů Velmi vysoká Nedoporučuje se<1 yearUse Tantalum Equipment or PTFE Lined
Přerušovaná expozice (dávkový postup) Nižší kumulativní 1,5 mm 2-4 roky Přijatelné Hydridové synergické + tepelné cykly
H2O2 (vysoká čistota, stabilizovaný fosfátem) Řez stabilizátoru 1,5 mm 4-6 let Stabilizátory snižují rozpad a absorpci vodíku
Peroxid + chlorid (nejhorší případ) Synergické Minimum 2,5 mm 1-2 roky Kombinované chloridové důlkové + hydridové krakování
Technická zmírnění pro službu peroxidu
U peroxidového servisu se silnostěnným-titanem lze životnost dále prodloužit různými kroky navíc. Nejlepším způsobem je zchladit povrch titanu. Rychlost absorpce vodíku se sníží přibližně o 40 až 50 procent na každých 10 stupňů snížení teploty pláště. Běh při 50 stupních místo 70 stupních zvyšuje životnost 3-4krát. Dalším přístupem je přidání stabilizátorů peroxidu (cíničitan sodný, pyrofosforečnan sodný nebo kyseliny fosfonové) do roztoku. Stabilizátory zabraňují katalytickému rozkladu H2O2 na povrchu titanu, snižují vývoj kyslíku a absorpci vodíku. Rychlost absorpce vodíku ze stabilizovaných peroxidových roztoků je o 70–90 % nižší než z nestabilizovaných roztoků. Třetím opatřením je periodické žíhání titanového ohřívače. Ohřívač se zahřívá na 400 stupňů ve vakuu po dobu 4 hodin. Tím se vytlačí absorbovaný vodík a tažnost se obnoví. Tuto metodu můžete provést jednou ročně a účinně resetovat koncentraci vodíku na téměř nulu.

Závěr: 2,0 mm stěna poskytuje 4x životnost v. 1.0 mm v Peroxidové službě
Silnější (2,0 mm) titanová stěna nabízí lepší ochranu proti křehkému lomu vyvolanému peroxidem- ve srovnání s tenčí (1,0 mm) stěnou, protože vodík potřebuje podstatně delší dobu k difundování přes silnější část a dosažení kritické koncentrace ve střední stěně. Stěna o tloušťce 1,0 mm praskne za 4-5 měsíců od hydridového zkřehnutí v 10–15 % H2O2 při 60 stupních, zatímco stěna o tloušťce 2,0 mm vydrží 15–20 měsíců – 4× prodloužení životnosti. Titan se nedoporučuje pro vyšší koncentrace peroxidu (nad 30 %) a teploty (nad 70 stupňů) bez ohledu na tloušťku stěny. Při specifikaci titanového ohřívače pro jakoukoli službu obsahující peroxid by měla být dodavateli poskytnuta koncentrace peroxidu, teplota, přítomnost stabilizátorů a očekávaný počet hodin provozu za den, aby se usnadnil výběr vhodné tloušťky stěny, která vyrovná cenu oproti předpokládané životnosti hydridu.