Morska voda in procesni tokovi,-ki vsebujejo klorid, so znani po tem, da povzročajo luknjičasto in razpokano korozijo v toplotnih izmenjevalnikih iz nerjavečega jekla. Titan je postal standardni kovinski material za te storitve zaradi svoje popolne odpornosti proti napadom kloridov do zmernih temperatur. V morskih in obalnih aplikacijah ter kemičnih procesih, ki vključujejo kloride, jetitanov toplotni izmenjevalnik morska voda klorid storitevkombinacija nudi neprimerljivo zanesljivost in dolgo življenjsko dobo.
Izziv korozije: kloridi in nerjavno jeklo
Avstenitna nerjavna jekla (304, 316) se za odpornost proti koroziji zanašajo na pasivni film kromovega oksida. Kloridni ioni pa lahko lokalno pretrgajo ta film, kar povzroči luknjičasto korozijo-majhne, globoke votline, ki hitro prodrejo. V razpokah (pod tesnili, usedlinami ali spoji cevi-in-cevne plošče) koncentracija klorida in pomanjkanje kisika pospešita korozijo rež. Celo z-zlitine z visoko zmogljivostjo, kot so super dupleks nerjavna jekla ali nikljeve zlitine (Hastelloy, Inconel), lahko pod določenimi pogoji, zlasti pri povišanih temperaturah, trpijo zaradi-korozijskih razpok (SCC) zaradi klorida.
Morska voda s približno 19.000 ppm vsebnosti klorida je še posebej agresivna. Za toplotne izmenjevalnike, ki se uporabljajo v obalnih elektrarnah, obratih za razsoljevanje, morskih ploščadih in ladijskih hladilnih sistemih, je bistvenega pomena material, ki je odporen na napad klorida.
Titanov korozijski mehanizem: stabilna oksidna plast
Titan pridobi svojo izjemno odpornost proti koroziji zaradi trdnega, naravno oblikovanega oksidnega filma (predvsem TiO₂). Ta film je termodinamično stabilen v oksidacijskih okoljih in, kar je ključno, je neprepusten za kloridne ione. Za razliko od filma kromovega oksida na nerjavnem jeklu, titanov oksid ne razpade v prisotnosti kloridov. Je tudi samo-celilen: če se mehansko poškoduje, se film takoj preoblikuje v prisotnosti kisika ali vode.
Rezultat je popolna odpornost na kloridno luknjičasto korozijo, razpoke zaradi napetostne korozije v morski vodi in večini raztopin,-ki vsebujejo klorid, do mejnih temperatur. Ta zmogljivost velja za naravno morsko vodo, onesnaženo morsko vodo, raztopine slanic in oksidirajoče kloridne spojine, kot so mokri klor, klorov dioksid in hipoklorit.
Prednosti titana za morsko vodo in kloride
Neomejeno življenje v morski vodi
Titan Grade 2 (komercialno čist) zagotavlja nedoločeno življenjsko dobo v naravni in onesnaženi morski vodi pri temperaturah do približno 80 stopinj (176 stopinj F). Ne pride do merljive korozije, lukenj ali razpok. Številni toplotni izmenjevalniki iz titana so neprekinjeno uporabljali morsko vodo več kot 30 let brez napak. Za višje temperature (do 100 stopinj ali več) titan stopnje 7 (z 0,12–0,25 % paladija) razširi varno območje delovanja s povečanjem stabilnosti oksidnega filma v redukcijskih pogojih.
Odpornost na oksidativne kloride
Titan je izbrani material za ravnanje z mokrim klorovim plinom, klorovim dioksidom, raztopinami hipoklorita in kloriranimi slanicami. Ta okolja so zelo jedka za večino kovin, vključno z nerjavnimi jekli in številnimi nikljevimi zlitinami. Titanov oksidni film ostane stabilen tudi v prisotnosti prostega klora in hipoklorove kisline.
Visoko razmerje med -trdnostjo in-težo
Titan ima gostoto približno 4,5 g/cm³-približno 56 % gostote jekla ali nikljevih zlitin (8,0–8,9 g/cm³). Njegova natezna trdnost (razred 2: ~345 MPa izkoristka, ~485 MPa končno) je primerljiva z nerjavnim jeklom 316. Ta kombinacija daje izjemno razmerje med-močjo in-težo. Lažji cevni snopi izmenjevalnikov toplote zahtevajo manj strukturne podpore, zmanjšajo obremenitve temeljev in jih je lažje namestiti v morskih ali morskih okoljih.
Dobra toplotna prevodnost
Čeprav ni tako prevoden kot baker ali aluminij, je toplotna prevodnost titana (približno 16–21 W/m·K) znatno višja kot pri fluoropolimerih (0,25 W/m·K) in primerljiva z nekaterimi nerjavnimi jekli. Tanko{4}}titanove cevi (običajno debeline stene 0,5–0,7 mm) zagotavljajo učinkovit prenos toplote, hkrati pa ohranjajo celovitost tlaka.
Omejitve titana
Titan ni povsod{0}}odporen proti koroziji. Napadajo ga:
Zmanjšanje kislin: Klorovodikova kislina, žveplova kislina in fosforjeva kislina v odsotnosti oksidantov. Oksidni film se v teh okoljih raztopi. Vendar lahko majhne količine oksidacijskih ionov (železova, bakrova ali dušikova kislina) ali legiranje s paladijem (razred 7) obnovijo pasivnost.
Fluorovodikova kislina: Že majhne količine HF povzročijo hiter napad.
Brezvodni klor: Suh klor lahko vname titan. Za vzdrževanje oksidnega filma je potrebna vlaga.
Jedke-raztopine za visoke temperature: Nad približno 100 stopinjami lahko koncentrirane alkalije povzročijo korozijo.
Pri uporabi z morsko vodo je najvišja stalna temperatura za titan stopnje 2 običajno omejena na 80–100 stopinj zaradi tveganja korozije v špranjah pod določenimi pogoji (npr. tesne reže s stoječo morsko vodo). Za višje temperature so določene titanove zlitine stopnje 7 ali druge.
Stroški so še en dejavnik. Titan je dražji od nerjavečega jekla ali bakrovih zlitin, običajno 5–10-krat višji od cene nerjavečega jekla 316 glede na težo. Vendar pa je precej cenejši od nikljevih zlitin (Hastelloy, Inconel) ali eksotičnih kovin, kot je tantal. Če upoštevamo skupne stroške-življenjskega cikla,-vključno z vzdrževanjem, izpadi in zamenjavo-se titan pogosto izkaže za ekonomičnega pri uporabi morske vode.
Običajni razredi titana za storitve izmenjevalnikov toplote
| Ocena | Sestava | Ključne značilnosti | Tipične aplikacije |
|---|---|---|---|
| 2. razred | Komercialno čist (99,2 % Ti) | Odlična odpornost proti koroziji v morski vodi do 80 stopinj; dobra trdnost in sposobnost oblikovanja | Večina toplotnih izmenjevalcev, kondenzatorjev, uparjalnikov-hlajenih z morsko vodo |
| 7. razred | Ti + 0.12–0,25 % Pd | Povečana odpornost na redukcijske kisline; zmožnost višje temperature morske vode (do 100 stopinj +) | Toplotni izmenjevalniki kemičnih procesov,-servis slanice pri višjih temperaturah |
| 12. razred | Ti + 0.3% Mo + 0.8% Ni | Izboljšana odpornost na redukcijske kisline in visoko{0}}temperaturno korozijo | Lupina-in-cevni izmenjevalniki v agresivnih kemičnih okoljih |
Uporaba pri končni obdelavi površin in kemični obdelavi
V industriji površinske obdelave se toplotni izmenjevalniki iz titana uporabljajo za:
Ogrevanje/hlajenje kadi za galvanizacijo: Številne raztopine za galvanizacijo vsebujejo kloride (npr. nikljev klorid, cinkov klorid) ali delujejo pri povišanih temperaturah, kjer bi nerjavno jeklo povzročilo luknje. Potopne tuljave iz titana ter lupina-in-cevni izmenjevalniki zagotavljajo dolgo življenjsko dobo.
Anodiziranje in jedkanje: Kopeli za eloksiranje aluminija pogosto vsebujejo žveplovo ali kromovo kislino s kloridnimi onesnaževalci; titan je odporen na oboje.
PCB in zaključna obdelava kovin: Raztopine za jedkanje z bakrovim kloridom ali železovim kloridom so zelo agresivne; titan je standardni material za izmenjavo toplote v teh tokokrogih.
Pri kemični obdelavi so titanovi toplotni izmenjevalniki določeni za:
Naprave za razsoljevanje: Več{0}}stopenjska predobdelava z bliskavico (MSF) in reverzna osmoza (RO) zahtevata ogrevanje in hlajenje morske vode.
Proizvodnja klo-alkalije: Ravnanje z mokrim klorom, natrijevim hipokloritom in klorirano slanico.
Nafta in plin na morju: Hlajenje procesnih tokov in komunalnih sistemov z morsko vodo.
Primerjalna tabela: titan v primerjavi z drugimi materiali za morsko vodo/klorid
| Material | Odpornost na morsko vodo (do 80 stopinj) | Odpornost proti kloridu | Odpornost proti koroziji | Odpornost na korozijsko razpokanje (SCC). | Relativni stroški (1=najnižji) | Tipična življenjska doba v morski vodi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nerjaveče jeklo 316L | Slabo (jame v nekaj mesecih) | Nizka | Nizka | Zmerno (občutljivo) | 1 | Mesecev do 2 let |
| Super Duplex (UNS S32750) | Dobro (omejeno na ~40 stopinj) | Zmerno | Zmerno | Dobro (vendar možno) | 2–3 | 5–10 let |
| baker-nikelj (90/10) | Dobro (vendar trpi zaradi erozije-korozije) | Zmerno (jame v onesnaženi morski vodi) | Nizka | Ni primerno | 1.5–2 | 5–15 let |
| Hastelloy C-276 | Odlično (vendar drago) | visoko | visoko | Odlično | 8–12 | >20 let |
| Titan Grade 2 | Odlično (imuno) | Odlično (imuno) | Odlično (do 80 stopinj) | Odlično (imuno) | 5–8 | >30 let |
| Titan Grade 7 | Odlično (do 100 stopinj +) | Odlično | Odlično (do višjih temperatur) | Odlično | 7–10 | >30 let |
Opomba: večkratniki stroškov so približni in se razlikujejo glede na tržne razmere in konfiguracijo menjalnika.
Premisleki pri načrtovanju toplotnih izmenjevalnikov iz titana
Uspešna uvedba titanovih toplotnih izmenjevalcev zahteva pozornost več podrobnostim zasnove:
Izogibanje razpokam: While titanium resists crevice corrosion up to its temperature limits, deep or stagnant crevices at high temperatures (>80 stopinj za stopnjo 2) lahko sproži napad. Priporočajo se-prebojni zvari, ne-zatesnjeni spoji cevi-in-cevno ploščo (npr. ekspandirani in tesno-varjeni) in izogibanje tesnim razpokam.
Galvanska združljivost: Titan je katoden večini običajnih kovin. Pri spajanju z manj plemenitimi kovinami (jeklo, baker, aluminij) v morski vodi pride do galvanske korozije slednjih. Potrebna je izbira izolacije ali združljivega materiala.
Vodikova krhkost: Titan absorbira vodik pri povišanih temperaturah pod katodnimi pogoji (npr. če je spojen z bolj anodno kovino ali v reducirajočem kislem okolju). Pobiranje vodika lahko povzroči krhkost. Pravilna zasnova sistema se izogne takim pogojem.
Nadzor obraščanja: Gladka površina titana je odporna na biološko obraščanje, vendar lahko vseeno pride do morske rasti. Kloriranje ali drugi ukrepi proti obraščanju so združljivi s titanom.
Zaključek
Titan je vrhunski kovinski material za toplotne izmenjevalnike morske vode in klorida, ki ponuja edinstveno kombinacijo odpornosti proti koroziji in mehanske robustnosti. Njegova odpornost na luknjičasto korozijo, razpokano korozijo in napetostno korozijsko razpokanje v kloridnih okoljih je neprimerljiva med stroškovno-učinkovitimi inženirskimi kovinami. Medtem ko začetni stroški materiala presegajo stroške nerjavečega jekla ali bakrovih zlitin, je titan zaradi podaljšane življenjske dobe-ki pogosto presega 30 let-in minimalnega vzdrževanja zelo ekonomičen v življenjskem ciklu. Pri izbiri materiala je treba upoštevati specifično koncentracijo klorida in temperaturo; za večino aplikacij v morski vodi in slanici pod 80 stopinj titan Grade 2 zagotavlja neomejeno delovanje. Pri višjih temperaturah ali bolj agresivnih pogojih titan razred 7 ali druge zlitine razširijo ovoj zmogljivosti. Pri končni obdelavi površin in kemični obdelavi, kjer sta zanesljivost in čas delovanja najpomembnejši, jetitanov toplotni izmenjevalnik morska voda klorid storitevkombinacija ostaja zlati standard.
