За титаниев потопяем нагревател, инсталиран в резервоар за разтопена сяра (135 градуса, съдържа сероводород и полисулфиди), защо по-дебелата стена не е от полза, тъй като корозията е равномерна и животът се определя от пълното разтваряне на желязото?

Основният компромис в дизайна на титанов нагревател за работа в разтопена сяра
Molten sulphur tanks are maintained at 135°C to keep sulphur in liquid form for transportation or processing. The sulfur is saturated with hydrogen sulfide (H₂S) and polysulfides (H₂S_x) in solution. Titanium immersion heaters are utilized because titanium has strong resistance to sulphur and sulphides at moderate temperatures. However, titanium corrodes in molten sulfur by a chemical process: Ti + 2S ->TiS₂ Корозията е последователна, без вдлъбнатини или пукнатини в една област. Скоростта е около 0,05-0,15 mm/година в зависимост от съдържанието на H2S. Тъй като корозията е равномерна, общата загуба на метал (изтъняване на стените) определя живота на нагревателя. По-голямата дебелина на стената означава пропорционално по-дълъг живот. Двойната дебелина на стената означава два пъти по-дълъг експлоатационен живот. Но няма прагова дебелина, под която корозията се ускорява или над която спира. (При питинг по-дебелите стени дават намаляваща възвръщаемост.) Това изследване показва причината за простото линейно мащабиране в случай на равномерна корозия и оптимална дебелина на стената (1,5-2,0 mm) в случай на работа с разтопена сяра.

Механизъм на равномерна корозия: въздействие върху механичната цялост
Установено е, че титановата повърхност реагира директно със сяра и полисулфиди в разтопена сяра при 135 градуса, което води до образуването на титанов дисулфид (TiS2). Покритието TiS 2 е сравнително защитно, но бавно се разтваря или отделя от течащата стопена сяра. Скоростта на корозия следва линейна кинетика: d=kt, където k е 0,05–0,15 mm/година. Няма праг на разрушаване на пасивен филм, няма критична температура за питинг и няма механизъм за корозионно напукване под напрежение. Корозията е постоянна по цялата потопена повърхност.

Няма локализирана атака, следователно времето до перфорация е просто: t_perf=(начална дебелина на стената) / (степен на корозия). Ако скоростта на корозия е 0,10 mm/година, стена с дебелина 1,2 mm ще бъде перфорирана за 12 години. 15 години за стена с дебелина 1,5 mm. 20 години за стена с дебелина 2,0 mm. Отношението е перфектна права линия. Следователно по-дебелата стена е от предимство в пряка зависимост от допълнителния материал. Цената на титана обаче също нараства линейно с дебелината. Няма нелинейна полза от прекомерната дебелина.

Въздействие върху топлинната ефективност: Наказание за пренос на топлина
По-дебелата стена води до малки, но реални топлинни разходи. За типичен топлинен поток от 2,0 W/cm$^2$, конвективното съпротивление доминира в стопената сяра (h $\\approx$ 500 W/m$^2$K поради високия вискозитет). За стена 1,2 mm R_cond=7.1e-5; за 2,0 mm стена R_cond=1.18e-4. Общото съпротивление се увеличава с 8%, следователно температурата на повърхността се повишава с 2–3 градуса. Това ускорява малко скоростта на корозия (около 10% за повишаване на 3'C), донякъде отричайки предимството на по-дебелата стена. Цялостната полза от увеличаването от 1,2 mm на 2,0 mm е удължаване на живота от 12 години до около 18 години (а не 20 години поради ускорението на температурата). Законът за намаляващата възвръщаемост е в сила, макар и слабо.

Компромис-между дебелината на стената и експлоатационния живот
Дебелина на стената (mm) Скорост на корозия при 135 градуса (mm/год) Коефициент на температурно ускоряване Ефективна скорост на корозия (mm/год) Време до перфорация (години) Относителна цена на материала 1,0 mm 0.10 1.00× 0.10 10 години 1,0× 1,2 mm 0.10 1.02× 0.102 11.8 години 1,2× 1,5 mm 0.10 1.05× 0.105 14.3 години 1,5 × 1,8 mm 0.10 1.08 × 0.108 16.7 години 1,8 × 2,0 mm 0.10 1.10 × 0.110 18.2 години 2,0 × 2,5 mm 0.10 1.15 × 0.115 21.7 години 2,5 ×
Стена с дебелина 2,0 мм има експлоатационен живот от 18 години, 80% по-дълъг от стена с дебелина 1,0 мм, но със 100% по-висока цена на материала. Стената от 1,5 mm осигурява 14 години с 50% повече разходи, често най-добрата икономическа точка.

Инженерство зад стената: Контрол на температурата и качество на сярата
Концентрацията на H₂S в стопената сяра е много чувствителен параметър за скоростта на корозия. В чиста сяра (нисък H2S), нивата са толкова ниски, колкото 0,03 mm/година. Киселата сяра с високо съдържание на H2S и полисулфиди може да достигне до 0,25 mm/година. Ако качеството на сярата е лошо, е необходима по-дебела стена, но по-добрият подход е резервоарът за сяра да се пръска с азот, за да се отстрани H2S, намалявайки степента на корозия със 70–80%. Разпръскване на азот 30+ Години 1,2 mm Управление на температурата на стените също е важно: намаляването на температурата на резервоара от 135 градуса на 125 градуса намалява степента на корозия с около 40%, което позволява по-тънки стени.

Заключение: Линейна полза-Изберете стената като функция на живота и разходите
По-дебелата стена е полезна за титанов потопяем нагревател в резервоар за разтопена сяра при 135 градуса с H2S и полисулфиди, тъй като корозията е равномерна и животът зависи от общото количество разтворен метал. Удвояването на дебелината на стената грубо удвоява експлоатационния живот (с малко наказание от ускорението на температурата). Препоръчителна дебелина на стената: 1,2–1,5 mm за 10 години живот; 1,5–1,8 mm за 15 години живот; 2,0–2,5 mm за 20 години живот. Няма прагов ефект (по-дебели стени не вършат работа). Най-добрият икономически избор обикновено е 1,5 mm, което дава 14 години живот при 50% повече от 1,0 mm стена. Предоставете прогнозната концентрация на H₂S и работната температура на производителя, за да му позволите да изчисли точната скорост на корозия. В случай на разтопена сяра, дебелината на стената е директна линейна проектна променлива. По-дебелото е по-добро, но по-скъпо-изберете за необходимия живот.