Jūras ūdeni un hlorīdu{0}}saturošas procesa plūsmas ir bēdīgi slavenas ar nerūsējošā tērauda siltummaiņu punktveida un plaisu koroziju. Titāns ir kļuvis par standarta metāla materiālu šiem pakalpojumiem, jo tas ir pilnībā izturīgs pret hlorīda iedarbību līdz pat mērenām temperatūrām. Lietojot jūrā un piekrastē, kā arī ķīmiskos procesos, kuros iesaistīti hlorīdi,titāna siltummaiņa jūras ūdens hlorīda servisskombinācija piedāvā nepārspējamu uzticamību un ilgu kalpošanas laiku.
Korozijas izaicinājums: hlorīdi un nerūsējošais tērauds
Austenīta nerūsējošā tērauda (304, 316) izturība pret koroziju ir atkarīga no pasīvās hroma oksīda plēves. Tomēr hlorīda joni var lokāli pārraut šo plēvi, izraisot punktveida koroziju{3}}mazus, dziļus dobumus, kas ātri iekļūst. Plaisās (zem blīvēm, nosēdumiem vai cauruļu-līdz-cauruļu loksnes savienojumiem) hlorīda koncentrācija un skābekļa samazināšanās paātrina spraugas koroziju. Pat augstas veiktspējas sakausējumi, piemēram, superdupleksais nerūsējošais tērauds vai niķeļa sakausējumi (Hastelloy, Inconel), noteiktos apstākļos, īpaši paaugstinātā temperatūrā, var ciest no hlorīda -izraisītas sprieguma korozijas plaisāšanas (SCC).
Jūras ūdens ar aptuveni 19 000 ppm hlorīda saturu ir īpaši agresīvs. Siltummaiņiem, ko izmanto piekrastes spēkstacijās, atsāļošanas iekārtās, jūras platformās un jūras dzesēšanas sistēmās, materiāls, kas ir imūns pret hlorīda uzbrukumu, ir būtisks.
Titāna korozijas mehānisms: stabils oksīda slānis
Titāna izcilo izturību pret koroziju iegūst no izturīgas, dabiski veidojošas oksīda plēves (galvenokārt TiO₂). Šī plēve ir termodinamiski stabila oksidējošā vidē un, kas ir būtiski, ir necaurlaidīga pret hlorīda joniem. Atšķirībā no hroma oksīda plēves uz nerūsējošā tērauda, titāna oksīds nesadalās hlorīdu klātbūtnē. Tā ir arī pašdziedinoša: ja plēve ir mehāniski bojāta, tā nekavējoties pārveidojas skābekļa vai ūdens klātbūtnē.
Rezultāts ir pilnīga imunitāte pret hlorīda punktveida koroziju, plaisu koroziju un sprieguma korozijas plaisāšanu jūras ūdenī un lielākajā daļā hlorīdu{0}} saturošu šķīdumu līdz temperatūras robežām. Šī veiktspēja attiecas uz dabisko jūras ūdeni, piesārņotu jūras ūdeni, sālsūdens šķīdumiem un oksidējošiem hlorīda savienojumiem, piemēram, mitru hloru, hlora dioksīdu un hipohlorītu.
Titāna priekšrocības jūras ūdens un hlorīda apkalpošanai
Neierobežota dzīve jūras ūdenī
Titanium Grade 2 (komerciāli tīrs) nodrošina nenoteiktu kalpošanas laiku dabīgā un piesārņotā jūras ūdenī temperatūrā līdz aptuveni 80 grādiem (176 grādiem F). Nenotiek izmērāma korozija, bedres vai plaisu uzbrukumi. Daudzi titāna siltummaiņi ir bijuši nepārtraukti jūras ūdens ekspluatācijā vairāk nekā 30 gadus bez kļūmēm. Augstākām temperatūrām (līdz 100 grādiem vai vairāk) 7. pakāpes titāns (ar 0,12–0,25% pallādija) paplašina drošu darbības diapazonu, uzlabojot oksīda plēves stabilitāti reducējošos apstākļos.
Izturība pret oksidējošiem hlorīdiem
Titāns ir izvēlētais materiāls, lai apstrādātu mitru hlora gāzi, hlora dioksīdu, hipohlorīta šķīdumus un hlorētus sālsūdeņus. Šī vide ir ļoti kodīga lielākajai daļai metālu, tostarp nerūsējošā tērauda un daudziem niķeļa sakausējumiem. Titāna oksīda plēve paliek stabila pat brīva hlora un hipohlorskābes klātbūtnē.
Augsta izturības{0}}līdz-svara attiecība
Titāna blīvums ir aptuveni 4,5 g/cm³-apmēram 56% no tērauda vai niķeļa sakausējumu blīvuma (8,0–8,9 g/cm³). Tā stiepes izturība (2. pakāpe: ~ 345 MPa ražība, ~ 485 MPa maksimālā) ir salīdzināma ar 316 nerūsējošo tēraudu. Šī kombinācija nodrošina izcilu stipruma{11}}svara attiecību. Vieglākiem siltummaiņa cauruļu saišķiem ir nepieciešams mazāks konstrukcijas atbalsts, tie samazina pamatu slodzes, un tos ir vieglāk uzstādīt atklātā jūrā vai jūras vidē.
Laba siltumvadītspēja
Lai gan tas nav tik vadošs kā varš vai alumīnijs, titāna siltumvadītspēja (aptuveni 16–21 W/m·K) ir ievērojami augstāka nekā fluorpolimēriem (0,25 W/m·K) un ir salīdzināma ar dažiem nerūsējošajiem tēraudiem. Titāna caurules ar plānām -sienām (parasti 0,5–0,7 mm sieniņu biezums) nodrošina efektīvu siltuma pārnesi, vienlaikus saglabājot spiediena integritāti.
Titāna ierobežojumi
Titāns nav vispārēji izturīgs pret koroziju{0}}. Tam uzbrūk:
Samazinošas skābes: Sālsskābe, sērskābe un fosforskābe, ja nav oksidējošu vielu. Oksīda plēve šajās vidēs izšķīst. Tomēr neliels daudzums oksidējošo jonu (dzelzs, vara vai slāpekļskābe) vai sakausēšana ar pallādiju (7. pakāpe) var atjaunot pasivitāti.
Fluorūdeņražskābe: Pat neliels HF daudzums izraisa ātru uzbrukumu.
Bezūdens hlors: Sausā hlora gāze var aizdedzināt titānu. Lai saglabātu oksīda plēvi, ir nepieciešams mitrums.
Augstas{0}}temperatūras kodīgie šķīdumi: Virs aptuveni 100 grādiem koncentrēti sārmi var izraisīt koroziju.
Jūras ūdens apkalpošanā maksimālā nepārtrauktā temperatūra 2. pakāpes titānam parasti ir ierobežota līdz 80–100 grādiem, jo noteiktos apstākļos pastāv plaisu korozijas risks (piemēram, šaurās plaisās ar stāvošu jūras ūdeni). Augstākām temperatūrām ir norādīta 7. pakāpe vai citi titāna sakausējumi.
Izmaksas ir vēl viens apsvērums. Titāns ir dārgāks nekā nerūsējošais tērauds vai vara sakausējumi, parasti 5–10 reizes pārsniedz 316 nerūsējošā tērauda izmaksas pēc svara. Tomēr tas ir ievērojami lētāks nekā niķeļa sakausējumi (Hastelloy, Inconel) vai eksotiski metāli, piemēram, tantals. Ja ņem vērā kopējās dzīves -cikla izmaksas,-ieskaitot apkopi, dīkstāves un nomaiņu,-titāns bieži vien izrādās ekonomisks, apkalpojot jūras ūdeni.
Parastās titāna kategorijas siltummaiņa apkalpošanai
| Novērtējums | Sastāvs | Galvenās īpašības | Tipiski pielietojumi |
|---|---|---|---|
| 2. pakāpe | Komerciāli tīrs (99,2% Ti) | Lieliska izturība pret koroziju jūras ūdenī līdz 80 grādiem; laba izturība un formējamība | Lielākā daļa no jūras ūdens{0}}dzesēšanas siltummaiņiem, kondensatoriem, iztvaicētājiem |
| 7. klase | Ti + 0.12–0,25% Pd | Paaugstināta izturība pret reducējošām skābēm; Augstākas temperatūras jūras ūdens spēja (līdz 100 grādiem +) | Ķīmisko procesu siltummaiņi, augstākas{0}}temperatūras sālsūdens apkalpošana |
| 12. klase | Ti + 0.3% Mo + 0.8% Ni | Uzlabota izturība pret reducējošām skābēm un augstas{0}}temperatūras spraugu koroziju | Korpusa{0}}un-cauruļu apmainītāji agresīvā ķīmiskā vidē |
Pielietojumi virsmu apstrādē un ķīmiskajā apstrādē
Virsmu apdares nozarē titāna siltummaiņus izmanto:
Galvaniskās vannas apkure/dzesēšana: Daudzi apšuvuma šķīdumi satur hlorīdus (piem., niķeļa hlorīdu, cinka hlorīdu) vai darbojas paaugstinātā temperatūrā, kur nerūsējošais tērauds veido bedres. Titāna iegremdēšanas spoles un apvalka-un-caurules apmainītāji nodrošina ilgu kalpošanas laiku.
Anodēšana un kodināšana: Alumīnija anodēšanas vannas bieži satur sērskābi vai hromskābi ar hlorīda piesārņotājiem; titāns iztur abi.
PCB un metāla apdare: Kodināšanas šķīdumi ar vara hlorīdu vai dzelzs hlorīdu ir ļoti agresīvi; titāns ir standarta materiāls siltuma apmaiņai šajās ķēdēs.
Ķīmiskajā apstrādē titāna siltummaiņi ir paredzēti:
Atsāļošanas iekārtas: daudzpakāpju zibspuldzes (MSF) un reversās osmozes (RO) pirmapstrādei nepieciešama jūras ūdens sildīšana un dzesēšana.
Hlor{0}}sārmu ražošana: Darbojas ar mitru hloru, nātrija hipohlorītu un hlorētu sālījumu.
Jūras naftas un gāzes ieguve: Procesa plūsmu un komunālo sistēmu dzesēšana ar jūras ūdeni.
Salīdzinājuma tabula: titāns un citi materiāli jūras ūdens/hlorīda pakalpojumam
| Materiāls | Jūras ūdens izturība (līdz 80 grādiem) | Izturība pret hloru | Izturība pret koroziju | Sprieguma korozijas plaisāšanas (SCC) izturība | Relatīvās izmaksas (1=zemākā) | Tipisks kalpošanas laiks jūras ūdenī |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 316L nerūsējošais tērauds | Slikti (bedres dažu mēnešu laikā) | Zems | Zems | Mērens (jutīgs) | 1 | No mēnešiem līdz 2 gadiem |
| Super Duplex (UNS S32750) | Labs (ierobežots līdz ~40 grādiem) | Mērens | Mērens | Labi (bet iespējams) | 2–3 | 5-10 gadi |
| Varš-Niķelis (90/10) | Labs (bet cieš no erozijas{0}}korozijas) | Mērens (bedres piesārņotā jūras ūdenī) | Zems | Nav piemērojams | 1.5–2 | 5-15 gadi |
| Hastelloy C-276 | Lieliski (bet dārgi) | Augsts | Augsts | Lieliski | 8–12 | >20 gadi |
| Titāna 2. pakāpe | Lielisks (imūns) | Lielisks (imūns) | Lieliski (līdz 80 grādiem) | Lielisks (imūns) | 5–8 | >30 gadi |
| Titāna 7. pakāpe | Lieliski (līdz 100 grādiem +) | Lieliski | Lieliski (līdz augstākai temperatūrai) | Lieliski | 7–10 | >30 gadi |
Piezīme. Izmaksu reizinātāji ir aptuveni un atšķiras atkarībā no tirgus apstākļiem un siltummaiņa konfigurācijas.
Titāna siltummaiņu projektēšanas apsvērumi
Veiksmīgai titāna siltummaiņu ieviešanai ir jāpievērš uzmanība vairākām dizaina detaļām:
Izvairīšanās no plaisām: While titanium resists crevice corrosion up to its temperature limits, deep or stagnant crevices at high temperatures (>80 grādi 2. pakāpei) var izraisīt uzbrukumu. Ir ieteicamas pilnas -iekļūšanas metināšanas šuves, caurules bez blīvējuma-un-caurules lokšņu savienojumiem (piem., paplašināti un blīvi{9}}metināti) un izvairīties no stingrām plaisām.
Galvaniskā saderība: Titāns ir katods pret lielāko daļu izplatītāko metālu. Savienojot ar mazāk cēlmetālu (tēraudu, varu, alumīniju) jūras ūdenī, rodas pēdējo galvaniskā korozija. Nepieciešama izolācija vai saderīga materiāla izvēle.
Ūdeņraža trauslums: Titāns absorbē ūdeņradi paaugstinātā temperatūrā katoda apstākļos (piemēram, ja tas ir savienots ar anodiskāku metālu vai reducējošā skābā vidē). Ūdeņraža uzņemšana var izraisīt trauslumu. Pareiza sistēmas projektēšana novērš šādus apstākļus.
Netīrumu kontrole: Titāna gludā virsma ir izturīga pret bioloģisko piesārņojumu, bet jūras augšana joprojām var notikt. Hlorēšana vai citi pretapaugšanas līdzekļi ir saderīgi ar titānu.
Secinājums
Titāns ir vadošais metālisks materiāls jūras ūdens un hlorīda siltummaiņiem, kas piedāvā unikālu korozijas izturības un mehāniskās izturības kombināciju. Tā izturība pret punktveida koroziju, plaisu koroziju un spriegumu korozijas plaisāšanu hlorīdu vidē ir nepārspējama starp rentabliem inženiertehniskajiem metāliem. Lai gan sākotnējās materiālu izmaksas pārsniedz nerūsējošā tērauda vai vara sakausējumu izmaksas, pagarinātais kalpošanas laiks-bieži pārsniedz 30 gadus-un minimālā apkope padara titānu ļoti ekonomisku visā dzīves ciklā. Izvēloties materiālu, jāņem vērā konkrētā hlorīda koncentrācija un temperatūra; lielākajai daļai jūras ūdens un sālījumu lietojumu, kuru temperatūra ir zemāka par 80 grādiem, titāna 2. pakāpe nodrošina nenoteiktu pakalpojumu. Augstākām temperatūrām vai agresīvākiem apstākļiem 7. klases titāns vai citi sakausējumi paplašina veiktspējas diapazonu. Virsmas apstrādē un ķīmiskajā apstrādē, kur uzticamība un darbības laiks ir vissvarīgākie,titāna siltummaiņa jūras ūdens hlorīda servisskombinācija joprojām ir zelta standarts.
