Как изборът на титанова сплав (клас 7 с паладий срещу клас 12 с молибден) променя необходимата дебелина на стената за нагряване на 10% мравчена киселина при точка на кипене?

Основният компромис при избора на сплав за работа с мравчена киселина
Concentrated formic acid (HCOOH, >5 и около неговата точка на кипене от ~100 градуса при 1 atm) умерено редуцира и агресивно разрушава нелегирания титан. Титанът от клас 2 се атакува равномерно чрез кипене на 10 % мравчена киселина със скорост, надвишаваща 0,5 mm на година и не се препоръчва за дългосрочна работа с потопяем нагревател, независимо от дебелината на стената. Две титанови сплави обикновено са определени за тази среда. Клас 7 (Ti-0,15% Pd) и клас 12 (Ti-0,3% Mo-0,8% Ni). И двете повишават устойчивостта на корозия чрез отделни процеси - паладият облагородява повърхността, молибденът и никелът подобряват катодната кинетика. Изборът на тези сплави пряко влияе върху дебелината на стената за постигане на определен експлоатационен живот, тъй като степента на корозия варира с коефициент 3-5 в кипяща мравчена киселина. Освен това, всяка от сплавите има свои собствени уникални механични свойства и топлопроводимост, които определят минималната възможна дебелина на стената за изграждане и пренос на топлина. Това изследване оценява влиянието на избора на сплав върху дебелината на стената, необходима за 5-годишен експлоатационен живот при кипяща 10% мравчена киселина.

Скорости на корозия и допуски: Изчисляване на ефекта върху механичната цялост
Механизмите на корозия за степени 7 и 12 са качествено различни при кипене на 10% мравчена киселина при 1000C. Клас 7 се състои от паладий (0,12–0,25 тегл.%), разтворен в титановата матрица. Паладият е благороден метал с висок водороден свръхпотенциал и измества корозионния потенциал на титана в пасивната област, дори при редуцираща киселина. Тестовете за потапяне съгласно ASTM G31 показват скорост на корозия от 0,02-0,05 mm/година за степен 7 при кипяща 10% мравчена киселина. Клас 12 използва молибден и никел за ускоряване на катодната реакция на отделяне на водород и се оставя да се образува защитно хидридно покритие. В същата среда нейната скорост на корозия е 0,10-0,15 mm на година – около три пъти по-висока от тази на степен 7. С проектен живот от 5 години и 2x коефициент на безопасност върху допустимата корозия (т.е. стената трябва да има два пъти очакваната дълбочина на проникване), необходимата дебелина на стената само за допустимата корозия е: за степен 7, 0,05 mm/година × 5 години × 2=0.5 mm; за клас 12, 0,15 mm/година × 5 години × 2=1.5 mm. Ето защо, само от гледна точка на корозия, клас 7 може да се използва с дебелина на стената до 1,0 mm (плюс 0,5 mm за механична якост), докато клас 12 изисква минимум 2,0 mm, за да даде същата граница на корозия. Но механичните характеристики и топлопроводимостта добавят други ограничения.

Въздействие върху топлинната ефективност: топлопроводимост и намаляване на мощността
Титановите сплави при 100 градуса имат подобна, но значителна топлопроводимост, със степен 7 (почти чист титан с паладий) при k ≈ 17,5 W/m·K и степен 12 (молибден с никел) при k ≈ 14,5 W/m·K (≈17% по-ниска). Като се има предвид същата дебелина на стената и плътност на мощността, обвивка от клас 12 ще работи по-горещо от обвивка от степен 7. Нагревателят от клас 12 има дебелина на стената от 2,0 mm и 17% по-висок спад на проводимостта на температурата от нагревателя от клас 7 със стена от 1,0 mm според уравнението на Фурие за цилиндрична проводимост. По-важното е, че минималната дебелина на стената за производство не е същата. Степен 12 има по-добра якост (граница на провлачване ≈ 480 MPa срещу степен 7 при ≈ 275 MPa), но по-малка пластичност (удължение ≈ 15% срещу . 20%). Тръбите от клас 12 могат да бъдат изтеглени до по-тънка стена (минимум 0,7 mm) от клас 7 (минимум 0,9 mm), тъй като по-високата якост позволява на тръбата да може да издържи напрежението при изтегляне без разкъсване. И двете сплави обаче се предлагат в заварени тръби до 0,5 mm. Практическото ограничение е в способността да се оформят в U-огъви или индивидуални форми: степен 12 изисква по-високи радиуси на огъване (минимум 3 × OD) от степен 7 (2,5 × OD), тъй като е по-малко пластичен. Това влияе върху геометрията на нагревателя и може да изисква по-дебела стена, ако са необходими тесни завои.

Компромис{0}}синтез: матрица за избор на дебелина на стената за 5-годишно обслужване
Следващата матрица сравнява клас 7 и клас 12 за титанов потопяем нагревател в кипяща 10% мравчена киселина (100 градуса, атмосферно налягане) с желан експлоатационен живот от 5 години въз основа на типична плътност на мощността от 2,5 W/cm².

Параметър Степен 7 (Ti-Pd) Степен 12 (Ti-Mo-Ni) Инженерни последици
Скорост на корозия при кипене 10% мравчена киселина 0,02 – 0,05 mm/година 0,10 – 0,15 mm/година За Степен 7 е необходимо да се осигури 0,5 mm допустима корозия за 5 години За Степен 12 е необходимо да се осигурят 1,5 mm.
Стена с минимална устойчивост на корозия за 5 години живот (2x коефициент на безопасност) 1,0 mm (допуск 0,5 mm + 0.5 mm манипулиране) 2,0 mm (допуск 1,5 mm + 0.5 mm манипулиране) Клас 7 може да бъде тънък-дизайн на стената Степен 12 трябва да е дебел-стена
Топлопроводимост (k) при 100 градуса 17,5 W/m K 14,5 W/m KGrade 12 работи 17% по-горещо за дадена стена, което увеличава скоростта на корозия.
Препоръчителна дебелина на стената за 5 години експлоатация (балансиран дизайн) 1,0 mm – 1,2 mm 1,8 mm – 2,2 mm Степен 7 позволява по-малки, по-термично ефективни нагреватели. Степен 12 се нуждае от дебели стени, ниско предаване на топлина.
Възможност за радиус на огъване на U-тръбния нагревател 2,5 × OD минимум 3,0 × OD минимум Степен 12 може да изисква по-големи отпечатъци на нагревателя или прав-тръбен дизайн.
Относителна цена на материала (на kg) 1,0 (базова линия) 0,7 – 0,8 Клас 12 е по-евтин за единица маса, но необходимата по-дебела стена намалява или елиминира предимството в разходите.
Подходящ за типично приложение. Киселини, необходими за агресивна редукция. Подходящи за леки редуциращи или смесени киселини. Ако трябва да кипнете 10% мравчена киселина, клас 7 е технически по-добрата алтернатива.
Инженерство отвъд стените: Абсорбция на водород и качество на заварките
Друго съображение при използването на мравчена киселина е абсорбцията на водород. Паладият в клас 7 позволява рекомбинацията на атомарния водород в молекула Н2, която не дифундира в титановата решетка. Следователно, дори при катодни условия, клас 7 показва много ниско поглъщане на водород. Степен 12 без добавяне на благороден метал позволява известна абсорбция на водород и никел-молибденовата фаза е способна да образува крехки хидриди при продължително излагане. За нагревател с дебели - стени (2,0 mm) Клас 12 не се очаква водородна крехкост за 5 години, тъй като степента на корозия е достатъчно ниска, за да ограничи образуването на водород. Локализираната корозия или галваничното свързване обаче правят клас 12 по-уязвим към хидридно напукване от клас 7. Целостта на заварката също е различна. С достатъчно екраниране заваръчните шевове от клас 7 ще запазят устойчивост на корозия, подобна на основния метал. Заварките от степен 12 могат да бъдат обект на преференциална корозия в засегнатата от топлината зона поради отделяне на молибден. Степен 12 изисква термична обработка след-заваряване не е необходима, но се препоръчва. Ако има няколко заварени съединения в нагревателите (фланци, термогнезда и др.), тогава клас 7 е по-надеждният избор.

Заключение: Дизайнът на тънки-стени е разрешен със степен 7; дизайнът на дебелите-стени е компрометиран със степен 12
Изборът на титаниева сплав силно влияе върху дебелината на стената, необходима за нагряване на 10% мравчена киселина до точка на кипене. Клас 7 (Ti-Pd) има скорост на корозия от 0,02–0,05 mm/година, безопасен експлоатационен живот от 5- години и дебелина на стената от 1,0–1,2 mm. Скоростта на корозия на степен 12 (Ti-Mo-Ni) е 0,10-0,15 mm/година; по този начин дебелината на стената за същия експлоатационен живот трябва да бъде 1,8-2,2 mm. Повишената топлопроводимост на клас 7 насърчава преноса на топлина, а по-добрата му пластичност позволява по-тесни завои и по-компактен дизайн на нагревателя. Степен 12 предлага по-ниски разходи за материали на килограм, но по-дебелата стена, необходима за материала, компенсира или отрича всякакви ползи от разходите, а по-ниската топлопроводимост засяга енергийната ефективност. За нови инсталации, където трябва да се нагрее кипяща 10% мравчена киселина, препоръчителната спецификация е клас 7 с дебелина на стената 1,0-1,2 mm. Степен 12 трябва да се използва за по-малко агресивни концентрации на мравчена киселина (по-малко от 5 процента) или за по-ниски температури, когато повишената якост и по-ниската цена могат да оправдаят по-дебела стена. Когато поискате оферта, посочете степента на сплавта и дебелината на стената от данните за скоростта на корозия, предоставени от производителя, и изискайте проверка на характеристиките на сплавта чрез изпитване с потапяне в съответствие с NACE TM0169.