Jaka grubość ścianki jest konieczna w przypadku tytanowej rury grzewczej pracującej w autoklawie-wysokociśnieniowym z 5% kwasem octowym i 200 ppm chlorku w temperaturze 250 stopni, aby wytrzymać korozję szczelinową pod uszczelką teflonową?

Krytyczne kompromisy-w projektowaniu tytanowych grzejników do autoklawów wysokotemperaturowych-
200 ppm chlorku i 5% kwasu octowego w temperaturze 250 stopni w autoklawach wysokociśnieniowych to trudne środowisko dla tytanu. Tytan jest zwykle odporny na kwas octowy, jednak połączenie wysokiej temperatury, chlorków i uszczelki teflonowej (PTFE) stanowi główne zagrożenie korozją szczelinową. Uszczelka PTFE uszczelniająca przejście grzejnika przez głowicę autoklawu tworzy szczelną szczelinę na styku tytanowej osłony-uszczelki. W szczelinie tej następuje utrata tlenu, koncentracja chlorków i miejscowe obniżenie pH w wyniku hydrolizy chlorku tytanu. Krytyczna temperatura szczeliny (CCT) tytanu stopnia 2 w roztworach chlorków wynosi zwykle 70–80 stopni. Przy 250 stopniach tytan ma znacznie wyższą wartość CCT i korozja szczelinowa rozpocznie się szybko, chyba że zmieni się geometria szczeliny lub doda się tytan do stopu. Inicjacji nie zapobiega czas do perforacji po rozpoczęciu korozji szczelinowej, będący funkcją grubości ścianki. W badaniu tym oszacowano wymaganą grubość ścianki dla akceptowalnego okresu użytkowania w nieuniknionych sytuacjach szczelinowych.

Kinetyka korozji szczelinowej w temperaturze 250 stopni: implikacje dla integralności mechanicznej
Pasywna powłoka tytanu klasy 2 jest termodynamicznie niestabilna w obecności chlorków w temperaturze 250 stopni, nawet przy braku szczeliny. Jednorodna szybkość korozji w 5% kwasie octowym z 200 ppm Cl- w temperaturze 250 stopni wynosi około 0,1-0,2 mm/rok. Jednakże prędkość korozji szczelinowej jest 10-50 razy większa pod uszczelką PTFE. Badania elektrochemiczne w symulowanych warunkach w autoklawie wskazują, że tempo wzrostu szczeliny wynosi 2–5 mm/rok. W przypadku ściany o grubości 1,0 mm oznacza to perforację w ciągu 2,5–6 miesięcy.. 2.0 mm ściana: perforacja w ciągu 5–12 miesięcy. Perforacja ścianki 3,0 mm 7-18 miesięcy. Duży rozrzut wynika z niejednorodności kompresji uszczelki, wykończenia powierzchni i stężenia tlenu. Co ważne, połączenie jest zasadniczo liniowe: podwojenie grubości ścianki podwaja czas perforacji. W przeciwieństwie do korozji pasywowanej, gdzie korzyści wynikające z grubszych ścian mogą rosnąć wykładniczo, korozja szczelinowa w temperaturze 250 stopni wykazuje kinetykę liniową ze względu na niezdolność do utworzenia stabilnej powłoki pasywnej, która powstrzymałaby atak.

Uszkodzenie występuje na styku-powłoki uszczelki, zwykle 5–10 mm od krawędzi uszczelki. Po zainicjowaniu rowek korozji rozwija się szybko. Grzejnik ulega awarii w wyniku nieszczelności w miejscu penetracji, a nie w wyniku perforacji zanurzonej części. Badanie-po awarii wykazało ostry-rowek krawędziowy pod uszczelką.

Wpływ na wydajność cieplną: gradient temperatury i degradacja uszczelki
Gradient termiczny w poprzek tytanowej ścianki w miejscu uszczelki jest niewielki, ponieważ uszczelka zazwyczaj znajduje się na zimnym końcu grzejnika (nad strefą grzewczą). Jednakże ciepło przenoszone przez osłonę zwiększa temperaturę uszczelki. W przypadku autoklawu ustawionego na 250 stopni temperatura obszaru uszczelki może wynosić 150–200 stopni, w zależności od grubości ścianki i długości nieogrzewanej części. PTFE rozpada się powyżej 260 stopni, ale około 200 stopni mięknie i pełza, co zwiększa ściskanie uszczelki i zmniejsza szczelinę. Płytka szczelina (< 0.05 mm) increases the crevice corrosion because the diffusion of the oxygen is totally prevented. Thicker wall is more conductive for heat transfer to the gasket (lower thermal resistance per unit length). This may result in a 10-20°C increase in gasket temp for a 2.0 mm wall over a 1.0 mm wall. The increase in temperature brings an increase in PTFE creep and crevice corrosion kinetics which partly offsets the benefit of the increased wall thickness.

Kompromis-syntezy: grubość ścianki na 1 rok okresu użytkowania
Grubość ścianki (mm) Przewidywana szybkość korozji szczelinowej (mm/rok w temperaturze 250 stopni) Czas do perforacji (miesiące) Temperatura uszczelki (stopnie) Zalecana trwałość na 1 rok?
1,0 mm 3,5 mm/rok (typowo) 3,5 miesiąca 180 stopni Nie
1,5 mm 3,5 mm/rok 5 miesięcy 185 stopni Nie
2,0 mm 3,5 mm/rok 7 miesięcy 190 stopni Nie (przerwy przed 12 miesiącami)
2,5 mm 3,5 mm/rok 8,5 miesiąca 195 stopni Nie
3,0 mm 3,5 mm/rok 10 miesięcy 200 stopni Marginalny (może nie osiągnąć 12 miesięcy)
4,0 mm 3,5 mm/rok 13,5 miesięcy 210 stopni Tak (ryzyko pogorszenia jakości PTFE)
Dane sugerują, że nawet ściana o grubości 4,0 mm nie wytrzyma dłużej niż 13,5 miesiąca przy szybkości korozji szczelinowej wynoszącej 3,5 mm/rok, a temperatura uszczelki (210 stopni) przekracza maksymalną zalecaną dla PTFE (ciągła 200 stopni). Nie można polegać na samej grubości ścianki, aby zapewnić roczny okres użytkowania w przypadku agresywnych warunków szczelinowych.

Inżynieria poza ścianą: eliminacja szczelin i ulepszanie stopów
Ponieważ grubość ścianki tylko liniowo poprawia trwałość korozji szczelinowej, nacisk inżynieryjny należy położyć na zapobieganie powstawaniu szczelin lub ulepszanie stopu tytanu. Najpierw uszczelkę PTFE zastępuje się spawanym tytanowym połączeniem-z-kołnierzem, eliminując szczelinę. Spawana uszczelka (np. tytanowy króciec przyspawany do głowicy autoklawu) usuwa powierzchnię styku-uszczelki, która jest miejscem korozji. Po drugie, krytyczna temperatura szczeliny wzrasta do ~150 stopni, gdy tytan jest ulepszany z klasy 2 do klasy 7 (Ti-0,15% Pd). W temperaturze 250 stopni klasa 7 nadal koroduje, ale z szybkością 0,5-1,0 mm na rok, czyli 3-7 razy wolniej niż klasa 2. Żywotność rury klasy 7 o grubości ścianki 2,0 mm wynosi 2-4 lata. Po trzecie, na tytanową osłonę w obszarze uszczelki nałożono koszulkę termokurczliwą z PTFE. Tuleja służy jako bariera pomiędzy tytanem a uszczelką, aby uniknąć bezpośredniego kontaktu ze szczeliną metalu.

Wniosek: Grubość ścianki sama w sobie jest niewystarczająca – konieczne jest usunięcie szczeliny
W przypadku tytanowej rurki grzejnej w autoklawie-wysokociśnieniowym z 5% kwasem octowym i 200 ppm chlorku w temperaturze 250 stopni grubość ścianki niezbędna do wytrzymania korozji szczelinowej pod uszczelką z PTFE jest nieracjonalnie ogromna (4,0 mm lub więcej) i zapewnia żywotność krótszą niż 18 miesięcy. Temperatura korozji szczelinowej jest liniowa (2-5 mm rocznie), dlatego grubsza ściana oznacza po prostu odpowiednio dłuższą żywotność. Proponowanym rozwiązaniem jest przyspawanie tytanowej osłony bezpośrednio do tytanowej tulejki lub kołnierza w celu usunięcia szczeliny lub użycie tytanu klasy 7 z osłoną tulei z PTFE. Jeżeli potrzebne jest uszczelnione przejście, należy wybrać tytan klasy 7 o minimalnej grubości ścianki 2,5 mm, z tuleją termokurczliwą z PTFE na obszarze uszczelki i co 6 miesięcy na kontrolę rowków szczelinowych. Podaj producentowi temperaturę roboczą autoklawu, stężenie chlorków i szacowaną żywotność, aby określić najlepszą kombinację stopu, grubości ścianki i metody uszczelniania. W tak trudnych warunkach grubość ścianki nie będzie wystarczająca.