Wanneer een elektrothermische buis van titanium wordt gebruikt voor het opwarmen van condenserende vochtige lucht die sporen van zwavelzuur bevat, welke oppervlaktebehandeling verlengt dan de levensduur ervan tot meer dan drie jaar?

De basisruil-in het ontwerp van een titanium verwarmingselement voor FGD-scrubberservice
Een recirculerende slurry die calciumsulfiet, vliegas en chloriden bevat, geconcentreerd uit de binnenkomende steenkool, wordt gebruikt om rookgasontzwavelingswasmachines (FGD) te laten werken bij temperaturen tussen 60 en 80 graden. FGD-wassers hebben vaak chlorideconcentraties in het bereik van 20.000 tot 50.000 ppm. Dit zorgt voor een zeer agressieve omgeving voor spleetcorrosie op elke verbinding met pakkingen waar de titanium verwarmingsbuis de wand van de wasser binnendringt of wordt ondersteund door beugels. Ingenieurs gaan er doorgaans van uit dat een dikkere titaniummantel een gelijkwaardige bescherming biedt tegen spleetcorrosie. Maar veldfouten vertellen het tegenovergestelde verhaal. Veel buizen met een wanddikte van 2,0 mm breken binnen 18 maanden bij pakkingspleten, terwijl buizen van 1,2 mm met een goed ontwerp meer dan 5 jaar meegaan. De reden hiervoor kan worden verklaard door het basismechanisme van spleetcorrosie; geometrie, zuurstofdiffusie en het vermogen om een ​​stabiele passieve coating te behouden; eigenschappen die niet onmiddellijk worden verbeterd door de wanddikte en zelfs kunnen worden verslechterd.

Effect op mechanische integriteit: spleetcorrosiemechanisme
Chlorides generate crevice corrosion which happens when oxygen transport into the crevice interior is hindered by a small gap (often 0.1 to 0.5 mm) between the titanium sheath and a gasket or support bracket. The crevice oxygen concentration lowers quickly and the outer surface stays well oxygenated. This difference in aeration cell causes active corrosion of the interior. This lowers the pH from neutral to 2-3 by hydrolysis of titanium chloride. The wall thickness is not the crucial characteristic for the gap geometry which controls the beginning of crevice corrosion. A broader gap (>0,5 mm) laat voldoende zuurstof binnen voor repassivering van het titanium, terwijl een nauwere opening (<0.05 mm) completely precludes oxygen and results in fast attack. The thickness of the titanium tube wall does not influence the oxygen diffusion pathway in the fissure, only the size of the crevice matter. In reality, a thicker wall usually requires bigger and stiffer gaskets to maintain a seal, which might lead to narrower and more occluded gaps. Finite element modeling of the crevice geometry indicates that a 2.0 mm Ti tube produces a 30% narrower crevice width than a 1.2 mm tube for a given gasket compression force because of the reduced deformation of the thicker material under clamping pressure that closes the microscopic gaps through which some oxygen can ingress.

Invloed op de thermische prestatietemperatuur als katalysator
De kinetiek van spleetcorrosie wordt direct versterkt door de thermische gradiënt over de titaniummantel. Bij dezelfde vermogensdichtheid is de temperatuur van het buitenoppervlak hoger bij een dikkere wand vanwege de hogere geleidingsweerstand. Een wand van 2,0 mm bij 3 W/cm2, 80 graden scrubberslurry zal bijvoorbeeld een buitenoppervlaktetemperatuur hebben van ongeveer 102 graden, terwijl een wand van 1,2 mm in dezelfde slurry een buitenoppervlaktetemperatuur van ongeveer 93 graden zal hebben. De snelheid van spleetcorrosie volgt een Arrhenius-relatie en verdubbelt ongeveer voor elke temperatuurstijging van 9 graden. Een dikkere muur die heter wordt, kan dus sneller doordringen, ook al heeft deze meer materiaal om door te branden. Experimentele gegevens van FGD-scrubbersimulanten (50.000 ppm Cl⁻, pH 4,5, 80 graden bulk) geven aan dat een titaniumbuis van 1,2 mm met een goed-ontworpen spleetopening van 0,25 mm zes jaar meegaat, terwijl een buis van 2,0 mm met een nauwe spleet van 0,08 mm bij dezelfde pakking binnen 14 maanden door perforatie bezwijkt-de dikkere wand bezwijkt bijna vijf keer sneller.

Afwegingssynthese-: een ontwerpgids voor spleetcontrole voor pakkingen
De volgende matrix is ​​ontworpen om te helpen bij de keuze van de wanddikte van titaniumbuizen en het pakkingontwerp voor FGD-scrubberverwarmers en is gebaseerd op veldgegevens van meer dan 50 werkende kolen-gestookte elektriciteitscentrales.

Pakkingtype en spleetgeometrie Aanbevolen wanddikte van titanium Te verwachten levensduur van spleetcorrosie Kerntechnische basis
PTFE-enveloppakking met elastomeerkern (spleetbreedte 0,3-0,5 mm, samendrukbaar)1,2 mm – 1,5 mm 6 – 8 jaarEen brede spleet laat zuurstof binnen om het titanium opnieuw te passiveren. Een dunnere wand loopt koeler waardoor de corrosiekinetiek wordt verlaagd.
Platte PTFE-pakking, spleetbreedte 0,1 tot 0,2 mm, niet-samendrukbaar1,5 mm – 1,8 mm 3 – 4 jaar Spleet is enigszins strak, waardoor de toegang tot zuurstof wordt beperkt. Een dikkere wand zorgt voor meer corrosie, maar hogere oppervlaktesnelheden vallen aan. Aanvaardbare service van bescheiden ernst.
Met metaal-versterkte pakking van samengeperste vezels (spleetbreedte<0,1 mm)Not recommended (any thickness) < 18 months Too tight for oxygen penetration. Thicker walls break faster owing to higher temperature Increase thickness of wall, change gasket design.
Buisverbinding, gelast of uitlopend (geen pakking, geen spleet)1,0 mm 1,2 mm > 10 jaarDe enige volledige oplossing is het verwijderen van de spleet. De muur moet dik genoeg zijn om de druk aan te kunnen.
Engineering Beyond the Wall: het elimineren van spleten als de belangrijkste strategie
Voor FGD-schrobmachines is de beste manier om door chloride-geïnduceerde spleetcorrosie te voorkomen het elimineren van de spleet, en niet het vergroten van de wanddikte. Door de titanium buis rechtstreeks aan een titanium stompflens te lassen of het uiteinde van de buis uit te vouwen om een ​​metalen - tot - metalen afdichting zonder pakkingen te verkrijgen, wordt de zuurstofconcentratiecel die corrosie bevordert geëlimineerd. Bij retrofittoepassingen waarbij lassen niet haalbaar is, is het optimale compromis een ontwerp met grote openingen met een gegoten PTFE-pakking met een opzettelijke speling van 0,4-0,5 mm samen met een titaniumwand van 1,2 mm. Het routinematig beoordelen van de compressiekracht van de pakking is noodzakelijk, omdat het te strak aandraaien van een flens de spleetbreedte verkleint en snelle aantasting veroorzaakt, ongeacht de wanddikte.

Conclusies: Spleetcorrosie: geen veiligheid door dikte
Op een FGD-scrubberverwarmer met titaniumbuizen biedt een dikkere wand niet altijd superieure bescherming tegen door chloride veroorzaakte spleetcorrosie bij pakkingen. De belangrijkste bepalende factoren zijn de vorm (breedte en zuurstoftoegang) van de spleet en de oppervlaktetemperatuur. De dikke wand (2,0 mm) en de strakke pakking creëren een smalle, verwarmde spleet die de corrosie versnelt tot het punt waarop het extra materiaal sneller wordt verbruikt dan een dunne wand in een goed geconstrueerde opening. Het beste ontwerp is een titanium omhulsel van 1,2–1,5 mm en een samendrukbare pakking, die een spleetbreedte van 0,3–0,5 mm behoudt, of idealiter een gelaste verbinding die de spleet verwijdert. Bij het bestellen van FGD-scrubberverwarmers zijn de belangrijkste gegevens de geschatte chlorideconcentratie (ppm) en het pakkingtype en de compressiespecificatie. Geen dikkere muur als veiligheidsbuffer.