A tengervizet és a kloridot{0}} tartalmazó folyamatáramok köztudottan lyuk- és réskorróziót okoznak a rozsdamentes acél hőcserélőkben. A titán e szolgáltatások szabványos fémanyagává vált, mivel teljesen ellenáll a klorid-támadásnak egészen mérsékelt hőmérsékletig. A tengeri és part menti alkalmazásokban, valamint a kloridokat tartalmazó kémiai folyamatokban atitán hőcserélő tengervíz-klorid szervizkombináció páratlan megbízhatóságot és hosszú élettartamot kínál.
A korróziós kihívás: kloridok és rozsdamentes acél
Az ausztenites rozsdamentes acélok (304, 316) passzív króm-oxid filmre támaszkodnak a korrózióállóság érdekében. A kloridionok azonban lokálisan áttörhetik ezt a filmet, ami lyukkorróziós-kis, mély üregekhez vezethet, amelyek gyorsan behatolnak. A hasadékokban (tömítések, lerakódások vagy cső--csőlemez csatlakozások alatt) a kloridkoncentráció és az oxigénhiány felgyorsítja a réskorróziót. Még a nagy -teljesítményű ötvözetek, például a szuperduplex rozsdamentes acélok vagy a nikkelötvözetek (Hastelloy, Inconel) is szenvedhetnek klorid -indukálta feszültségkorróziós repedést (SCC) bizonyos körülmények között, különösen magas hőmérsékleten.
A tengervíz a hozzávetőleg 19 000 ppm kloridtartalmával különösen agresszív. A part menti erőművekben, sótalanító létesítményekben, tengeri platformokon és tengeri hűtőrendszerekben használt hőcserélőknél elengedhetetlen egy olyan anyag, amely immunis a kloridos támadással szemben.
A titán korróziós mechanizmusa: a stabil oxidréteg
A titán kivételes korrózióállóságát egy szívós, természetesen képződő oxidfilmből (elsősorban TiO₂) nyeri. Ez a film termodinamikailag stabil oxidáló környezetben, és ami döntő fontosságú, áthatolhatatlan a kloridionokkal szemben. A rozsdamentes acélon lévő króm-oxid filmmel ellentétben a titán-oxid nem bomlik le kloridok jelenlétében. Öngyógyító is: ha mechanikusan megsérül, a film oxigén vagy víz jelenlétében azonnal átalakul.
Az eredmény a tengervízben és a legtöbb klorid{0}}tartalmú oldatban a hőmérséklethatárokig terjedő kloridos lyukkorrózióval, réskorrózióval és feszültségkorróziós repedésekkel szembeni teljes immunitás. Ez a teljesítmény kiterjed a természetes tengervízre, a szennyezett tengervízre, a sóoldatokra és az oxidáló kloridvegyületekre, például a nedves klórra, a klór-dioxidra és a hipokloritokra.
A titán előnyei a tengervíz és klorid szolgáltatás számára
Korlátlan élet a tengervízben
Titanium Grade 2 (kereskedelmi tisztaságú) korlátlan élettartamot biztosít természetes és szennyezett tengervízben, körülbelül 80 fokos (176 °F) hőmérsékletig. Nem fordul elő mérhető korrózió, lyukkorrózió vagy hasadási támadás. Sok titán hőcserélő több mint 30 éve folyamatosan üzemel a tengervízzel, meghibásodás nélkül. Magasabb hőmérsékleten (legfeljebb 100 fokig) a 7-es fokozatú titán (0,12–0,25% palládiummal) megnöveli a biztonságos működési tartományt azáltal, hogy javítja az oxidfilm stabilitását redukáló körülmények között.
Oxidáló kloridokkal szembeni ellenállás
A titán a választott anyag nedves klórgáz, klór-dioxid, hipoklorit oldatok és klórozott sóoldatok kezelésére. Ezek a környezetek erősen korrozívak a legtöbb fémre, beleértve a rozsdamentes acélt és számos nikkelötvözetet is. A titán-oxid film még szabad klór és hipoklórsav jelenlétében is stabil marad.
Nagy szilárdság-/-tömeg arány
A titán sűrűsége körülbelül 4,5 g/cm³-körülbelül 56%-a az acél vagy nikkelötvözetek sűrűségének (8,0–8,9 g/cm³). Szakítószilárdsága (2. fokozat: ~345 MPa hozam, ~485 MPa végső terhelés) a 316-os rozsdamentes acéléhoz hasonlítható. Ez a kombináció kivételes erő{11}}/tömeg arányt eredményez. A könnyebb hőcserélő csőkötegek kevesebb szerkezeti támogatást igényelnek, csökkentik az alapozási terhelést, és könnyebben telepíthetők tengeri vagy tengeri környezetben.
Jó hővezető képesség
Bár nem olyan vezető, mint a réz vagy az alumínium, a titán hővezető képessége (körülbelül 16–21 W/m·K) lényegesen magasabb, mint a fluorpolimereké (0,25 W/m·K), és néhány rozsdamentes acéléhoz hasonlítható. A vékony falú titán csövek (általában 0,5–0,7 mm falvastagság) hatékony hőátadást biztosítanak a nyomás integritásának megőrzése mellett.
A titán korlátai
A titán nem általánosan{0}}korrózióálló. Megtámadják:
Redukáló savak: Sósav, kénsav és foszforsav oxidáló anyagok hiányában. Az oxidfilm feloldódik ezekben a környezetekben. Kis mennyiségű oxidáló ion (vas-, réz- vagy salétromsav) vagy palládiummal való ötvözés (7. fokozat) azonban helyreállíthatja a passzivitást.
Hidrofluorsav: A HF nyomokban is gyors támadást okoz.
Vízmentes klór: A száraz klórgáz meggyújthatja a titánt. Nedvesség szükséges az oxidfilm fenntartásához.
Magas-hőmérsékletű maró oldatok: Körülbelül 100 fok felett a koncentrált lúgok korróziót okozhatnak.
Tengervízszolgáltatásban a 2. fokozatú titán maximális folyamatos hőmérséklete jellemzően 80–100 fokra korlátozódik, mivel bizonyos körülmények között fennáll a réskorrózió veszélye (pl. szűk hasadékok pangó tengervízzel). Magasabb hőmérséklet esetén Grade 7 vagy más titánötvözetek vannak előírva.
A költség egy másik szempont. A titán drágább, mint a rozsdamentes acél vagy a rézötvözetek, súly alapján általában 5-10-szerese a 316-os rozsdamentes acél költségének. Azonban lényegesen olcsóbb, mint a nikkelötvözetek (Hastelloy, Inconel) vagy az egzotikus fémek, például a tantál. Ha figyelembe vesszük a teljes életciklus-költséget,-beleértve a karbantartást, az állásidőt és a cserét-, a titán gyakran gazdaságosnak bizonyul a tengervíz szolgáltatásban.
Általános titán minőségek a hőcserélő szervizhez
| Fokozat | Összetétel | Főbb jellemzők | Tipikus alkalmazások |
|---|---|---|---|
| 2. évfolyam | Kereskedelmi tisztaság (99,2% Ti) | Kiváló korrózióállóság tengervízben 80 fokig; jó szilárdság és alakíthatóság | A legtöbb tengervíz{0}}hűtéses hőcserélő, kondenzátor, elpárologtató |
| 7. évfolyam | Ti + 0.12–0,25% Pd | Fokozott ellenállás a redukáló savakkal szemben; magasabb hőmérsékletű tengervíz képesség (100 + fokig) | Vegyi technológiai hőcserélők, magasabb{0}}hőmérsékletű sóoldat szolgáltatás |
| 12. évfolyam | Ti + 0.3% Mo + 0.8% Ni | Fokozott ellenállás a redukáló savakkal és a magas hőmérsékletű{0}}réskorrózióval szemben | Shell{0}}és-csöves hőcserélők agresszív vegyi környezetben |
Alkalmazások a felületkezelésben és a vegyi feldolgozásban
A felületkezelő iparban a titán hőcserélőket a következőkre használják:
Galvanizáló fürdő fűtés/hűtés: Sok bevonatoldat kloridokat (pl. nikkel-kloridot, cink-kloridot) tartalmaz, vagy olyan magas hőmérsékleten működik, ahol a rozsdamentes acél gödrök keletkezhetnek. A titán merülőtekercsek és a héj-és-csöves hőcserélők hosszú élettartamot biztosítanak.
Eloxálás és maratás: Az alumínium eloxáló fürdők gyakran kénsavat vagy krómsavat tartalmaznak klorid szennyeződésekkel; A titán mindkettőnek ellenáll.
PCB és fém kikészítés: A réz-kloriddal vagy vas-kloriddal készült maratóoldatok nagyon agresszívak; Ezekben az áramkörökben a titán a szabványos hőcsere anyag.
A vegyi feldolgozás során a titán hőcserélőket a következőkre írják elő:
Sótalanító üzemek: A többlépcsős flash (MSF) és a fordított ozmózisos (RO) előkezeléshez tengervíz melegítése és hűtése szükséges.
Klór-lúggyártás: Nedves klór, nátrium-hipoklorit és klórozott sóoldat kezelése.
Offshore olaj és gáz: Folyamatfolyamatok és közműrendszerek tengervizes hűtése.
Összehasonlító táblázat: Titán és egyéb anyagok a tengervíz/klorid szolgáltatáshoz
| Anyag | Tengervízállóság (80 fokig) | Klorid-pontosodási ellenállás | Réskorrózióállóság | Feszültségkorróziós repedés (SCC) ellenállás | Relatív költség (1=legalacsonyabb) | Tipikus élettartam tengervízben |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 316L rozsdamentes acél | Gyenge (hónapokon belül gödrök) | Alacsony | Alacsony | Mérsékelt (érzékeny) | 1 | Hónaptól 2 évig |
| Super Duplex (UNS S32750) | Jó (~40 fokig korlátozott) | Mérsékelt | Mérsékelt | Jó (de lehetséges) | 2–3 | 5-10 év |
| Réz-nikkel (90/10) | Jó (de eróziós-korróziós) | Mérsékelt (gödrök a szennyezett tengervízben) | Alacsony | Nem alkalmazható | 1.5–2 | 5-15 év |
| Hastelloy C-276 | Kiváló (de költséges) | Magas | Magas | Kiváló | 8–12 | >20 év |
| Titán 2. fokozat | Kiváló (immun) | Kiváló (immun) | Kiváló (80 fokig) | Kiváló (immun) | 5–8 | >30 év |
| Titán 7. fokozat | Kiváló (100 fokig +) | Kiváló | Kiváló (magasabb hőmérsékletig) | Kiváló | 7–10 | >30 év |
Megjegyzés: A költségek többszörösei hozzávetőlegesek, és a piaci feltételektől és a hőcserélő konfigurációjától függően változnak.
Titán hőcserélők tervezési szempontjai
A titán hőcserélők sikeres telepítéséhez több tervezési részletre is oda kell figyelni:
A hasadékok elkerülése: While titanium resists crevice corrosion up to its temperature limits, deep or stagnant crevices at high temperatures (>80 fok 2. fokozat esetén) indíthat támadást. A teljes-áthatolású hegesztések, a nem tömített cső-a-csőlemez csatlakozások (pl. kiterjesztett és tömített-hegesztés) és a szűk rések elkerülése javasolt.
Galvanikus kompatibilitás: A titán a legtöbb elterjedt fémhez katódos. Ha a tengervízben kevésbé nemesfémekkel (acél, réz, alumínium) párosul, az utóbbiak galvanikus korróziója lép fel. Izolálás vagy kompatibilis anyag kiválasztása szükséges.
Hidrogén ridegség: A titán megemelt hőmérsékleten katódos körülmények között abszorbeálja a hidrogént (pl. anódosabb fémmel vagy redukáló savas környezetben). A hidrogén felszívása ridegséget okozhat. A megfelelő rendszertervezés elkerüli az ilyen feltételeket.
Elszennyeződés ellenőrzése: A titán sima felülete ellenáll a biológiai szennyeződésnek, de a tengeri növekedés továbbra is előfordulhat. A klórozás vagy más lerakódásgátló intézkedések kompatibilisek a titánnal.
Következtetés
A titán a tengervíz és klorid üzemi hőcserélők első számú fémanyaga, amely a korrózióállóság és a mechanikai robusztusság egyedülálló kombinációját kínálja. Pöttyöskorrózióval, réskorrózióval és feszültségkorróziós repedésekkel szembeni ellenállása kloridos környezetben páratlan a költséghatékony műszaki fémek között. Míg a kezdeti anyagköltség meghaladja a rozsdamentes acél vagy rézötvözetek költségét, a meghosszabbított, -gyakran 30 évet meghaladó élettartam-és a minimális karbantartás miatt a titán rendkívül gazdaságos az életciklusa során. Az anyag kiválasztásánál figyelembe kell venni az adott klorid koncentrációt és hőmérsékletet; a legtöbb 80 fok alatti tengervíz- és sóoldat-alkalmazáshoz a 2-es fokozatú titán határozatlan ideig biztosít szolgáltatást. Magasabb hőmérséklet vagy agresszívabb körülmények esetén a 7-es fokozatú titán vagy más ötvözetek megnövelik a teljesítményt. A felületkezelésben és a vegyi feldolgozásban, ahol a megbízhatóság és az üzemidő a legfontosabb, atitán hőcserélő tengervíz-klorid szervizkombináció továbbra is az arany standard.
