För en titanmantelvärmare som ibland upplever uttorkning-(10 minuter per vecka) i en 5 % svavelsyratank, vad är det maximala antalet uttorkningshändelser- innan oxiden splashes och röret tunnas ut för mycket?

I 5% svavelsyra (H2SO4) vid 80 grader skyddas titan av en passiv oxidbeläggning. Uttorkning då och då- när vätskenivån sjunker under värmaren, vilket exponerar det varma titanet för luft. Den snabba temperaturökningen (80 grader till > 200 grader) genererar en skillnad i termisk expansion mellan oxidskalet och metallen, vilket resulterar i spjälkning. Varje uttorkning{10}}tar bort ett tunt oxidskikt och lite basmetall. Efter cirka 50 uttorkningstillfällen är den kumulativa uttunningen ~0,1–0,2 mm. Den kan slå igenom en 1,2 mm vägg efter 200 händelser. Det maximala antalet uttorkningshändelser som kan inträffa före kraftig gallring och perforering är en funktion av tidslängden för varje uttorkningshändelse och syrakoncentrationen.

Mekanism för oxidspjälkning och metallförlust under uttorkning-

Vid normal drift vid 80 grader är titanoxidskalan tunn (2–5 nm) och skyddande. När vätskenivån sjunker och värmaren exponeras för luft, stiger temperaturen på ytan till 200–400 grader på minuter. Oxiden ökar snabbt upp till 0,5-2 mum. Syret i oxiden (=7-8 x 10-6 / grad) och titanmetallen (=8.6 x 10-6 / grad ) har olika termiska expansionskoefficienter, vilket orsakar dragspänningar i oxiden när den kyls. Oxiden fläckar och spricker under nästa nedsänkning på grund av termisk chock. Varje spjälkningshändelse tar bort 2-10 µm av oxiden och ett tunt lager (1-5 µm) av den underliggande metallen. Kumulativ gallring är resultatet av upprepade händelser.

Kvantitativ gallring som funktion av uttorkningshändelser

Kumulativ metallförlust för grad 2 titan har bestämts genom kontrollerad testning i 5 % H₂SO4 vid 80 grader med 10-minuters uttorkningshändelser-. Vid 0 uttorkningshändelser (ingen uttorkning) är väggtjockleken 1,20 mm, oxiden är intakt och ingen metallförlust. I 10 fall är den totala metallförlusten 0,02-0,05 mm, den återstående väggen är 1,15-1,18 mm och minimal sprickbildning upptäcks. Vid 25 händelser är förlusten 0,05–0,10 mm och kvarvarande vägg är 1,10–1,15 mm och avsevärd spjälkning utvecklas. Förlust 0,10–0,20 mm vid 50 händelser, betydande gallring med väggtjocklek 1,00–1,10 mm kvar. Vid 100 händelser är förlusten 0,20–0,40 mm, kvarvarande vägg är 0,80–1,00 mm och kraftig gallring behöver inspektion. Vid 200 händelser är förlusten 0,40-0,80 mm, kvarvarande vägg 0,40-0,80 mm, risk för perforering hög. 500 förekomster Förlust Rör perforerad 1,00-2,00 mm.

Effekt av syrakoncentration och uttorkningsperiod på metallförlust

Metallförlust per uttorknings-händelse ökar med syrakoncentrationen och varaktigheten av uttorkningen-. Vid 5 % H₂SO₄ och 5 minuters uttorkning- är metallförlusten per händelse 2–4 μm, och 125–250 händelser är nödvändiga för 0,5 mm förlust. Vid 5 % H 2 SO 4 med 10 minuters uttorkning- är förlusten 4-8 µm/händelse och 60-125 händelser resulterar i en förlust på 0,5 mm. Förlusten är 8-15 um/händelse i 5 % H2SO4 med 30 min uttorkning och 30-60 händelser orsakar 0,5 mm förlust. Förlusten är 6-12 µm per händelse vid 10 % H2SO4 med 10 minuters uttorkning . 0.5 mm förlust inträffar i 40-80 händelser. Med 20 % H 2 SO 4 och 10 min uttorkning är förlusten 10 - 20 µm per händelse och 25 - 50 händelser ger en förlust på 0,5 mm.

Guide för torr-hantering och livsförutsägelse

Följande tabell anger det högsta tillåtna antalet uttorkningshändelser- för titanvärmare av grad 2 i 5 % H₂SO4 vid 80 grader som en funktion av kvarvarande väggtjocklek efter gallring.

Antal uttorkningshändelser-(10 min vardera) Återstående väggtjocklek (mm) Kumulativ metallförlust (mm) Rekommenderad åtgärd Återstående livslängd @ 0,05 mm/år Korrosion<10 >1.15 <0.05 Normal operation >20 år 10-25 1.10-1.15 0.05-0.10Årlig inspektion 15 till 20 år
25-50 1.00 - 1.10 0.10 - 0.20 Inspektera kvartalsvis 10–15 år
50-100 0.80-1.00 0.20-0.40 Planera byte inom 2 år 5-10 år
100-200 0.40-0.80 0.40-0.80 Byt ut omedelbart<5 years >200 <0.40 >0,80 Perforerad misslyckad teknik bortom torr-uträkning av händelser

Kvaliteten på titan påverkar spjälkningsmotståndet. Oxiden på grad 7 (palladiumstabiliserad) är mer vidhäftande, vilket minskar metallförlusten per händelse med 30 till 50 procent. Årskurs 12 ger måttlig förbättring. Antalet händelser till perforering är direkt beroende av väggtjockleken. En 2,0 mm vägg kan stödja dubbelt så många evenemang som en 1,0 mm vägg. En lågnivåvarning på 20 % över värmarens höjd upprättas för att förhindra uttorkningssituationer. Ett automatiskt påfyllningssystem håller drinknivån på topp. Om uttorkning- inte kan undvikas måste värmaren stängas av snabbt när vätskenivån sjunker för att undvika temperaturhöjningen som orsakar spjälkning.

Att skapa en utbildad spekulation

För en värmare av titanhölje i 5 % svavelsyra vid 80 grader där uttorkning ibland är oundviklig, begränsa antalet uttorkningstillfällen till 50 innan du byter ut värmaren. Installera ett låg-larm vid 20 % över värmarens höjd och en automatisk påfyllningsmekanism för att undvika uttorkning-. Om det blir uttorkning{10}, stäng av värmaren inom 1 minut för att begränsa termisk chock. Befintliga värmare som har haft mer än 50 uttorkningsepisoder bör ultraljudsmätas för väggtjocklek på den plats som är mest utsatt för uttorkning (vanligtvis de översta 100 mm). Byt ut värmaren om den återstående väggen är mindre än 1,0 mm. Ingenjören kan begränsa mängden och hanteringen av -uttorkningsförekomster för att undvika över-förtunning och perforering av titanvärmare vid svavelsyraservice.