Meleg tengervizes üzemben (60-90 fok, 3-4% sótartalom) a PFA-melegítők megvédik a fémmagot a közvetlen vegyi támadástól. A mikroszkopikus hibák vagy áthatolási utak azonban végül lehetővé teszik, hogy a kloridionok elérjék a magot. Amint a klorid érintkezik a fémmel, a feszültségkorróziós repedés (SCC) válik a domináns meghibásodási mechanizmussá. A 2-es fokozatú titán mag szinte korlátlanul ellenáll a klorid -indukálta SCC-nek, míg az Incoloy 825 mag hónapokon vagy néhány éven belül megreped húzófeszültség hatására. A különbség a passzív filmstabilitásból adódik: a titán szívós TiO₂-réteget képez, amely ön{11}}gyorsan meggyógyul oxigén vagy víz jelenlétében. Az Incoloy króm-oxid (Cr₂O3) filmet képez, amely érzékeny a kloridionok támadására, ami gödrösödéshez, majd repedés kialakulásához vezet. A forró tengervizes vagy sós környezetben működő PFA fűtőtesteknél a titán mag 5–10-szeresére növeli az élettartamot az Incoloyhoz képest.
A klorid{0}}indukált stresszrepedés mechanizmusa az Incoloyon
Az Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) passzív króm-oxid filmre támaszkodik a korrózióállóság érdekében. Forró tengervízben a kloridionok adszorbeálódnak a film felületén, helyileg megbontva azt. A szabaddá vált fém feloldódik, gödröt képezve. A gödör csúcsán a savas, kloridban{7}}dús környezet megakadályozza az újra-passzivációt. A húzófeszültség (a hőtágulásból vagy a maradék gyártási feszültségből) a gödörben koncentrálódik, repedést okozva. Ha repedés keletkezik, az átterjed az Incoloyon keresztül. Törött burkolatú vagy kloriddal átjárt PFA-fűtő esetében az Incoloy mag általában 1000–5000 órán belül tönkremegy 80 fokos hőmérsékleten, még akkor is, ha a PFA sértetlennek tűnik. A repedés következtében a mag elveszíti az elektromos folytonosságot vagy a PFA földelését, ami a fűtés meghibásodását okozza.
A 2-es fokozatú titán (kereskedelmi tisztaságú) TiO₂ filmet képez, amely rendkívül stabil kloridos környezetben. A fólia szinte azonnal megújul, ha megsérül, ha oxigén vagy víz van jelen. A tengervíz bőséges oldott oxigént tartalmaz. A kloridionok nem bontják fel a TiO₂ filmet; valójában stabilizálják. A titán 120 fok alatti hőmérsékleten immunis az SCC-kloriddal szemben. Forró tengervízben a titán magok nem mutatnak SCC-t 50,000+ órás expozíció után, még mechanikai igénybevétel esetén sem.
Összehasonlító teljesítmény forró tengervízben (80 fok, 3,5% NaCl, 50 MPa alkalmazott feszültség a magon)
| Fém mag anyaga | Passzív film | Pittingig eltelt idő (óra) | A repedés megkezdésének ideje (óra) | A kudarcig eltelt idő (óra) | Domináns hiba mód | Relatív élet |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Incoloy 825 (-kapott) | Cr₂O3 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | Transzgranuláris SCC | 1.0× |
| Incoloy 825 (passzivált) | Cr₂O3 | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| Titanium Grade 2 (hevített) | TiO₂ | >50 000 (nincs) | >50,000 | >50,000 | Nincs (képlékeny meghibásodás lehetséges) | >10× |
| Titán, 7. fokozat (Pd{1}}ötvözött) | TiO₂ | >50,000 | >50,000 | >50,000 | Egyik sem | >10× |
| Rozsdamentes acél 316L | Cr₂O3 | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | Pitting + SCC | 0.3–0.5× |
Helyszíni bizonyítékok tengeri hőcserélőkről
Egy part menti erőműben PFA fűtőelemeket használtak Incoloy 825 maggal tengervíz{1}}hűtéses hőcserélőben (80 fok). A fűtőberendezések 12–18 havonta meghibásodtak a magrepedés miatt. A meghibásodást követő analízis azt mutatta, hogy a klorid behatolt a mikroszkopikus PFA üregeken, majd az Incoloy SCC-jén keresztül. Az üzem a fűtőtesteket azonos PFA-burkolatokra cserélte, de titán 2-es fokozatú magokkal. 5 év folyamatos működés után nem történt meghibásodás. A titán magok nem mutattak lyukasztást vagy repedést. Az üzem mostantól titán magokat ír elő minden tengervíznek kitett PFA-fűtőberendezéshez.
Miért gyakori még mindig az Incoloy, és mikor elfogadható?
Az Incoloy-t továbbra is széles körben használják, mert olcsóbb (a titán költségének körülbelül 50%-a), és megfelelően működik nem-kloridos környezetben vagy alacsonyabb hőmérsékleten (<50°C). For freshwater or deionized water service, Incoloy cores can last 10+ years. For hot seawater, brine, or any chloride-rich environment above 60°C, Incoloy is a liability. The additional cost of titanium (typically $200–500 per heater) is recovered after one prevented failure event.
Tervezési ajánlások a klorid-szolgáltatáshoz
| Környezet | Klorid koncentráció | Hőmérséklet | Ajánlott alapanyag | Indoklás |
|---|---|---|---|---|
| Édesvíz (ionmentesített) | <10 ppm | Bármilyen | Incoloy (költséghatékony{0}}) | Nincs SCC kockázat |
| Sós víz | 100–1000 ppm | <50°C | Incoloy | Elfogadható |
| Sós víz | 100–1000 ppm | >60 fok | Titán 2. fokozat | SCC kockázat 60 fok felett |
| Tengervíz (nyílt hurok) | 30 000–40 000 ppm | Bármilyen | Titán 2. fokozat | Kötelező |
| sóoldat (elpárologtató) | >100 000 ppm | >70 fok | Titanium Grade 2 vagy Grade 7 | Kötelező |
| Forró tengervíz (hőcserélő) | 35 000 ppm | 80 fok | Titán 2. fokozat | Proven life >5 év |
Következtetés: A titánmag kiküszöböli a kloridos stresszrepedést a forró tengervízben
Meleg tengervízben (80 fokos, 3,5% NaCl) a 2. fokozatú titán fémmaggal rendelkező PFA fűtőelem 10-szer hosszabb élettartammal rendelkezik, mint az Incoloy 825 mag, mivel a titán TiO₂ passzív filmje immunis a klorid{5}} által kiváltott feszültségkorróziós repedésekkel szemben. Az Incoloy króm-oxid filmje kloridokká bomlik le, ami hónapokon és néhány éven belül lyukacsosodáshoz, repedés kialakulásához és meghibásodáshoz vezet. Minden olyan PFA fűtőberendezéshez, amely 60 fok feletti kloridban{8}}dús környezetben működik, adja meg a titán magot. A kezdeti költségprémium megtérül a megszűnt állásidő és csereköltségek révén. A tengeri, sótalanító vagy sóoldat-fűtéshez anyagokat választó mérnököknek a titánt kell előnyben részesíteniük. Az Incoloy édesvízhez tartozik; titán uralja a tengert.
