W przypadku tytanowej grzałki zanurzeniowej zainstalowanej w zbiorniku ze stopioną siarką (135 stopni, zawierający siarkowodór i polisiarczki), dlaczego grubsza ściana nie jest korzystna, ponieważ korozja jest jednolita, a żywotność zależy od całkowitego rozpuszczenia żelaza?

Podstawowy kompromis w projektowaniu grzejników tytanowych pod kątem pracy w stopionej siarki
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 Korozja jest stała, bez wżerów i pęknięć w jednym obszarze. Szybkość wynosi około 0,05-0,15 mm/rok, w zależności od zawartości H2S. Ponieważ korozja jest jednolita, całkowita utrata metalu (pocienienie ścianek) decyduje o żywotności grzejnika. Większa grubość ścianki oznacza proporcjonalnie większą trwałość. Dwukrotna grubość ścianki oznacza dwukrotnie dłuższą żywotność. Nie ma jednak progowej grubości, poniżej której korozja przyspiesza lub powyżej której zatrzymuje się. (W przypadku wżerów grubsze ściany dają malejące zyski.) Badania te pokazują przyczynę prostego liniowego skalowania w przypadku równomiernej korozji i optymalnej grubości ścianki (1,5-2,0 mm) w przypadku pracy ze stopioną siarką.

Mechanizm równomiernej korozji: wpływ na integralność mechaniczną
Stwierdzono, że powierzchnia tytanu bezpośrednio reaguje z siarką i polisiarczkami w stopionej siarki w temperaturze 135 stopni, prowadząc do powstania dwusiarczku tytanu (TiS2). Powłoka TiS2 jest stosunkowo ochronna, ale jest powoli rozpuszczana lub odpryskiwana przez przepływającą stopioną siarkę. Szybkość korozji jest zgodna z kinetyką liniową: d=kt, gdzie k wynosi 0,05–0,15 mm/rok. Nie ma progu przebicia folii pasywnej, nie ma temperatury krytycznej dla wżerów ani mechanizmu pękania korozyjnego naprężeniowego. Korozja jest jednolita na całej zanurzonej powierzchni.

Nie ma zlokalizowanego ataku, dlatego czas do perforacji wynosi po prostu: t_perf=(początkowa grubość ściany) / (szybkość korozji). Jeśli szybkość korozji wynosi 0,10 mm/rok, ściana o grubości 1,2 mm ulegnie perforacji w ciągu 12 lat. 15 lat w przypadku ściany o grubości 1,5 mm. 20 lat w przypadku ściany o grubości 2,0 mm. Zależność ta jest idealną linią prostą. Dlatego grubsza ściana jest korzystna wprost proporcjonalnie do dodatkowego materiału. Jednakże koszt tytanu rośnie liniowo wraz ze wzrostem grubości. Nie ma nieliniowych korzyści z nadmiernej grubości.

Wpływ na wydajność cieplną: Kara za przenikanie ciepła
Grubsza ściana wiąże się z niewielkimi, ale realnymi kosztami termicznymi. Dla typowego strumienia ciepła wynoszącego 2,0 W/cm$^2$, opór konwekcyjny dominuje w stopionej siarce (h $\\około$ 500 W/m$^2$K ze względu na wysoką lepkość). Dla ściany o grubości 1,2 mm R_cond=7.1e-5; dla ściany o grubości 2,0 mm R_cond=1.18e-4. Opór całkowity wzrasta o 8%, w związku z czym temperatura powierzchni wzrasta o 2–3 stopnie. Przyspiesza to nieco szybkość korozji (około 10% przy wzroście o 3°C), nieco negując zaletę grubszej ścianki. Ogólną korzyścią wynikającą ze zwiększenia grubości z 1,2 mm do 2,0 mm jest wydłużenie żywotności z 12 do około 18 lat (a nie 20 lat ze względu na przyspieszenie temperatury). Prawo malejących przychodów obowiązuje, choć słabo.

Kompromis-pomiędzy grubością ścianki a żywotnością
Grubość ścianki (mm) Szybkość korozji w 135 stopniach (mm/rok) Współczynnik przyspieszenia temperatury Efektywna szybkość korozji (mm/rok) Czas do perforacji (lata) Względny koszt materiału 1,0 mm 0.10 1.00× 0.10 10 lat 1,0× 1,2 mm 0.10 1.02× 0.102 11.8 lat 1,2× 1,5 mm 0.10 1.05× 0.105 14.3 lat 1,5× 1,8 mm 0.10 1.08× 0.108 16.7 lat 1,8× 2,0 mm 0.10 1.10× 0.110 18.2 lat 2,0× 2,5 mm 0.10 1.15× 0.115 21.7 lat 2,5×
Ściana o grubości 2,0 mm ma żywotność 18 lat, o 80% dłuższą niż ściana o grubości 1,0 mm, ale kosztuje o 100% więcej materiału. Ścianka o grubości 1,5 mm zapewnia 14 lat przy 50% większym koszcie, co często jest najlepszym ekonomicznym rozwiązaniem.

Inżynieria za ścianą: kontrola temperatury i jakość siarki
Stężenie H₂S w stopionej siarki jest bardzo wrażliwym parametrem szybkości korozji. W przypadku czystej siarki (o niskiej zawartości H2S) współczynniki wynoszą zaledwie 0,03 mm/rok. Kwaśna siarka z dużą zawartością H2S i polisiarczków może wynosić nawet 0,25 mm/rok. Jeśli jakość siarki jest niska, konieczna jest grubsza ściana, ale lepszym rozwiązaniem jest przepłukanie zbiornika siarki azotem w celu usunięcia H2S, co zmniejsza szybkość korozji o 70–80%. Zraszanie azotem 30+ Lata Ściana o grubości 1,2 mm Ważne jest również zarządzanie temperaturą zbiornika: obniżenie temperatury zbiornika ze 135 stopni do 125 stopni zmniejsza szybkość korozji o około 40%, co pozwala na zastosowanie cieńszych ścian.

Wniosek: korzyść liniowa-Wybierz ścianę jako funkcję trwałości i kosztu
Grubsza ścianka jest przydatna w przypadku tytanowej grzałki zanurzeniowej w zbiorniku ze stopioną siarką w temperaturze 135 stopni z H2S i polisiarczkami, ponieważ korozja jest jednolita, a żywotność zależy od całkowitej ilości rozpuszczonego metalu. Podwojenie grubości ścianki z grubsza podwaja żywotność (z niewielkim spadkiem spowodowanym przyspieszeniem temperatury). Zalecana grubość ścianki: 1,2–1,5 mm na 10 lat życia; 1,5–1,8 mm przez 15 lat życia; 2,0–2,5 mm na 20 lat życia. Nie ma efektu progu (grubsze ściany nie działają). Najlepszym ekonomicznym wyborem jest zwykle grubość 1,5 mm, co daje 14 lat trwałości przy grubości ściany o 50% większej niż 1,0 mm. Podaj producentowi szacunkowe stężenie H₂S i temperaturę roboczą, aby umożliwić mu obliczenie dokładnej szybkości korozji. W przypadku stopionej siarki grubość ścianki jest bezpośrednio liniową zmienną obliczeniową. Grubszy jest lepszy, ale droższy.-Wybierz na całe życie.