Как геометрията на процепа (материал на уплътнението и въртящ момент на скобата) влияе върху времето за започване на корозията на процепа върху титаниеви нагревателни тръби в басейни за изпаряване на сол?

Резервоарите за изпаряване на сол за производство на натриев хлорид, калиев хлорид и други соли от саламура работят при температури от 40-60 градуса и концентрации на хлорид от насищане (около 26% NaCl) до свръхнасищане с утаяване на солни кристали. Титаниеви нагревателни тръби се използват за поддържане на температурата на изпарение и предотвратяване на кристализация на топлообменните повърхности. Доминиращият начин на повреда обаче е корозия на пукнатини при съединенията тръба-към тръбна плоча, под уплътненията и под прикачените скоби. За разлика от много проблеми с корозията на титан, които са функция главно на химичния състав на сплавта или дебелината на стената, времето за започване на корозията на пукнатината при услугата за изпаряване на сол е значително повлияно от параметрите на механичния дизайн, като геометрията на пукнатината (ширина и дълбочина на междината) и материала на уплътнението и въртящия момент на скобата. Тази статия оценява ефекта на тези променливи върху времето до появата на пукнатини и предлага предложения за дизайн за удължаване на живота на нагревателя в солени басейни.

Механизъм на корозия в пукнатини в наситен хлориден солен разтвор.
Наситеният или почти наситен разтвор на натриев хлорид при 50 градуса е много агресивен поради концентрацията на хлорид (около 5,4 M Cl-) и високата йонна сила в насипния разтвор. Но титанът е пасивен в насипна саламура, тъй като няма ниско pH, свързано с високото съдържание на хлорид. Основното условие за корозия на пукнатината е кислородното гладуване в пукнатината. Анодното разтваряне на титана произвежда Ti4+, който се хидролизира, за да образува H+.. В резултат на това рН в пукнатината намалява до 2-3, когато кислородът е изчерпан. За наситен хлориден разтвор на натриев хлорид незначителното намаляване на рН води до състояние, при което титанът не може да се пасивира повторно и корозията на пукнатините се разпространява бързо.

Времето на започване, т.е. времето преди да започне постоянното нападение на пукнатината, е свързано със скоростта на изчерпване на кислорода и скоростта на падане на рН под прага на репасивация. И двете се контролират от геометрията на процепа, пропускливостта на уплътнителния материал за кислород и контактното налягане между уплътнението и титановата повърхност.

Ефекти от ширината на процепа
От геометричните параметри най-критичната е ширината на пролуката между титановата тръба и противоположната повърхност (тръбен лист, уплътнение или скоба). За определена ширина на междината скоростта на дифузия на кислорода в пукнатината е пропорционална на куба на междината (закон на Фик за тесен канал). По-големите празнини позволяват попълване на кислород, което забавя изчерпването и удължава времето за започване. по-малките пропуски водят до по-голямо изчерпване на кислорода.

Контролирано изследване на образци от титан Клас 2 с изкуствени пукнатини с контролирана ширина на междината, в наситен NaCl при 50 градуса, pH 7,0, показа следните начални времена (време до видима атака при 10x увеличение):

При ширина на междината от 0,05 mm (типично за добре{1}}затегнато PTFE уплътнение срещу обработен фланец), изчерпването на кислорода настъпва за 24-48 часа и атаката на пукнатината започва след 50-100 часа. При ширина на междината 0,10 mm инициирането става на 200-300 часа. При ширина на междината от 0,25 mm, началото се удължава от 500 до 1000 часа. Дифузията на кислород позволява да се поддържа пасивност и следователно не се открива атака на пукнатини при ширина на междината от 0,50 mm след 5000 часа. При ширина на междината над 1,0 mm геометрията вече не е цепнатина, а отворена междина. Не се извършва атака.

На практика това означава, че много тесните пукнатини (под 0,1 мм) са най-опасни. Проектантите трябва да направят празнините по-широки от 0,5 mm (дебели уплътнения или опори) или да премахнат празнините (заварени съединения).

Ефекти от дълбочината на процепа
Степента на пукнатината (разстоянието, на което празнината прониква под уплътнението или в тръбния лист) определя количеството повърхност-изчерпана на кислород, налично за анодно разтваряне. Започването се ускорява за по-дълбоки пукнатини, тъй като те имат по-големи зони-изчерпани на кислород и по-дълги дифузионни пътища за дадена ширина на междината.

За дадена ширина на междината от 0,1 mm, времето за започване се намалява от 300 часа на 100 часа, тъй като дълбочината на пукнатината се увеличава от 5 mm на 20 mm. При 50 mm дълбочина инициирането става на 40-50 часа. Избягвайте дълбочини на пукнатини повече от 15 mm при обслужване на солен изпарител. Съединенията -тръбна плоча трябва да бъдат проектирани така, че да имат плитка цепнатина (дълбочина по-малка от 10 mm) или да бъдат заварени навсякъде, за да се елиминира цепнатината.

Пропускливост на материала на уплътнението
Уплътнителните материали се различават по своята пропускливост за кислород и по способността си да абсорбират солен разтвор, като и двете оказват влияние върху химията на пукнатините. не-порести, не-пропускливи уплътнения (PTFE, PEEK, метал) осигуряват плътно уплътнение и не позволяват дифузия на кислород през самото уплътнение, като по този начин ускоряват изчерпването на кислорода в пукнатината. Мека гума, EPDM, силикон (порести, пропускливи уплътнения): малко кислород може да дифундира през тялото на уплътнението, за да замени цепнатината и да забави началото.

Бяха тествани различни материали за уплътнение (междина 0,1 mm, дълбочина 10 mm, наситен NaCl при 50 градуса) и резултатите са:

PTFE уплътнение (непропускливо) – начало на 200-300 часа. EPDM каучук (умерена пропускливост): начало след 400–600 часа. Силиконова гума (висока пропускливост) 800 до 1200 часа за стартиране. Без уплътнение (контакт метал-с метал, ефективно нулева междина, порест интерфейс) Иницииране при над 2000 часа с умерена атака.

Компромисът-е, че пропускливите уплътнения ще абсорбират саламура и ще набъбнат, което може да промени геометрията на празнината с течение на времето. Силиконът и EPDM се разграждат за дълги периоди от време (2-5 години) в гореща саламура и трябва да бъдат заменени.

Момент на затягане и контактно налягане
Натискът, упражняван върху уплътнението и титановия интерфейс, е функция на въртящия момент, използван за затягане на скобата. По-големият въртящ момент означава по-плътни уплътнения, което означава, че ефективната ширина на междината е намалена и се разпространява по-малко кислород. По-ниският въртящ момент (при ограниченията за уплътняване) води до малко по-голяма ефективна междина, следователно по-бавно започване на процепа.

Тестването на PTFE уплътнение върху фланец на тръба с диаметър 50 mm с наситен NaCl при 50 градуса дава:

Въртящ момент 20 N·m (нисък) Ефективна междина 0,15-0,20 mm Стартиране 400-600 часа. Въртящ момент 40 Nm (стандартен) Ефективна междина 0,08-0,12 mm Старт 200-300 часа Въртящ момент 60 N·m (висока): ефективна междина 0,04-0,07 mm, начало 50-100 часа.

Най-добрият начин за обслужване на солен изпарител е да се приложи най-малкото количество въртящ момент, което ще осигури уплътнение, обикновено 50 до 60 процента от предложения максимум за материала на уплътнението. Тази техника увеличава ефективната междина без изтичане.

Матрица за приложение на цепнатинен дизайн за солеви изпарители
Проектен параметър Предпочитана стойност за механизъм с удължен живот Очаквано време до започване на пукнатината (наситен NaCl, 50 градуса)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5000 часа (без атака)
Ширина на празнината (ако<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
Дълбочина на процепа<10 mm Anode area limited 300-500 hours
Материал на уплътнението EPDM или силикон (пропусклив) Кислородна дифузия на уплътнението 400 до 1200 часа.
Момент на затягане Мин. уплътняващ въртящ момент (50-60% от макс.) Увеличете ефективната междина 2-3 пъти по-дълго от високия въртящ момент
Съединение на тръба-тръбна плоча Заварки (пълно проникване)Без нападение на цепнатини (само хлътване) Премахва цепнатини
Практически съвети за нагреватели за солен изпарител
В езерата за изпаряване на сол най-добрият дизайн за титаниеви нагревателни тръби е дизайнът, при който всички пукнатини са елиминирани чрез -заварени с проникване съединители-към-тръбна плоча. Когато се изискват разглобяеми връзки, използвайте перфорирано или оребрено уплътнение, за да запазите разделянето, и посочете ширина на междината от 0,20 до 0,30 mm. Използвайте EPDM или силиконови уплътнения (предназначени за 60 градуса саламура) вместо PTFE, за да се възползвате от неговата кислородна пропускливост. Приложете минималния въртящ момент на скобата, който ще предотврати изтичане, както е определено чрез тестване с мехурчета. Проектирайте фланци с плитки вдлъбнатини, за да ограничите дълбочината на процепа до 10 mm или по-малко. Тези дизайнерски решения увеличават времето за стартиране на процепа от 200-300 часа (стандартно PTFE уплътнение, висок въртящ момент) до 2000-5000 часа преди да е необходима проверка или 3-6 месеца непрекъсната работа. Планирайте годишни инспекции на нагревателя и почистете всяка начална атака на пукнатини чрез леко полиране за 24/7 работа на солено езерце. За приложения с 5-годишен период на поддръжка са необходими заварени съединения, дори ако геометрията е оптимизирана.