**Σε έναν θερμαντήρα εμβάπτισης τιτανίου που χρησιμοποιείται για τη διατήρηση των 75 μοιρών σε διάλυμα έκπλυσης βολφραμίου 20% ανθρακικού νατρίου + 5% ανθρακικού νατρίου (pH 10,5), ποια μέγιστη συγκέντρωση ανθρακικού επιτρέπει 5000 ώρες λειτουργίας χωρίς διάτρηση στη διεπαφή ατμών-υγρού;**
Οι θερμαντήρες εμβάπτισης τιτανίου βαθμού 2 χρησιμοποιούνται συνήθως σε κυκλώματα έκπλυσης βολφραμίου όπου το διάλυμα περιέχει 20% βολφραμικό νάτριο (Na2WO4) και 5% ανθρακικό νάτριο (Na2CO3) στους 75 βαθμούς, με ρΗ περίπου 10,5. Το εξαιρετικά αλκαλικό ανθρακικό διάλυμα βολφραμικού-προωθεί ένα σταθερό παθητικό φιλμ σε τιτάνιο υπό συνθήκες πλήρους βύθισης. Ωστόσο, εμφανίζεται ένας συγκεκριμένος μηχανισμός αστοχίας στη διεπαφή ατμών-υγρού – την περιοχή όπου ο σωλήνας του θερμαντήρα διέρχεται από την επιφάνεια του διαλύματος. Σε αυτή τη διεπιφάνεια, η εξάτμιση συγκεντρώνει ανθρακικά άλατα στην επιφάνεια του τιτανίου, δημιουργώντας ένα εξαιρετικά αλκαλικό περιβάλλον με τιμές pH που υπερβαίνουν το 13. Το συμπυκνωμένο ανθρακικό διάλυμα μπορεί να διαλύσει την παθητική μεμβράνη τιτανίου ως διαλυτό είδος τιτανικού και η δημιουργία κοιλοτήτων στη διεπιφάνεια. Η κρίσιμη παράμετρος που ελέγχει τη σταθερότητα της διεπαφής είναι η μέγιστη συγκέντρωση ανθρακικού που μπορεί να γίνει ανεκτή χωρίς την έναρξη της διάτρησης. Πάνω από μια συγκέντρωση κατωφλίου, η παθητική μεμβράνη διασπάται και διαδίδεται το κοίλωμα.
**Μηχανισμός ανθρακικού-Επαγόμενης κοιλότητας στον ατμό-Διεπαφή υγρού**
Στη διεπαφή ατμού{0}}υγρού, το παθητικό φιλμ τιτανίου υποβάλλεται σε υγρή-ξηρή ανακύκλωση καθώς το επίπεδο του διαλύματος κυμαίνεται. Όταν βυθίζεται, το ανθρακικό διάλυμα βολφραμικού διατηρεί σταθερό φιλμ TiO2 σε ρΗ λειτουργίας 10,5. Όταν το επίπεδο του διαλύματος πέφτει ή κατά τη διάρκεια του κύκλου απενεργοποίησης-όταν ο θερμαντήρας εκτίθεται σε ατμούς, το λεπτό υγρό φιλμ εξατμίζεται, συγκεντρώνοντας ανθρακικό νάτριο στην επιφάνεια του τιτανίου. Η συγκέντρωση ανθρακικού μπορεί να αυξηθεί κατά 5-10, αυξάνοντας το τοπικό pH στο 13-14. Σε αυτές τις υψηλές τιμές pH, το φιλμ οξειδίου του τιτανίου διαλύεται ως διαλυτά είδη τιτανικού (Na2TiO3 και άλλα τιτανικά). Κατά την εκ νέου εμβάπτιση, τα συμπυκνωμένα άλατα διαλύονται, αλλά το παθητικό φιλμ μπορεί να έχει καταστραφεί. Οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι οδηγούν σε εντοπισμένο διάβημα στη διεπαφή. Η μέγιστη συγκέντρωση ανθρακικού που μπορεί να γίνει ανεκτή εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τη διάρκεια του κύκλου στεγνώματος.
**Ποσοτικό όριο συγκέντρωσης ανθρακικών για σταθερότητα διεπαφής**
Ελεγχόμενες δοκιμές χρησιμοποιώντας σωλήνες τιτανίου βαθμού 2 (12 mm OD, 1,2 mm τοίχωμα) βυθισμένους σε διαλύματα Na2WO4/Na2CO3 στους 75 βαθμούς με κυκλικές υγρές{4}} ξηρές συνθήκες (8 ώρες βύθιση, 4 ώρες έκθεση σε ατμούς στους 75 βαθμούς) και αναφέρουν τη συμπεριφορά διεπιφάνειας ανθρακικού νατρίου0 μετά από ποικίλες συγκεντρώσεις άνθρακα50 ώρες:
| Συγκέντρωση ανθρακικού νατρίου (%)|pH στη διεπαφή (συμπυκνωμένο)|Ώρα για το πρώτο λάκκο στη διεπαφή (ώρες)|Πυκνότητα λάκκου στη διεπαφή (pits ανά cm)|Μέγιστο βάθος λάκκου μετά από 5000 ώρες (mm)|Κατάσταση διεπαφής στις 5000 ώρες|Ασφαλές για 5000 ώρες; |
|-----------------------------------|-------------------------------|----------------------------------------|----------------------------------------|-----------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <2 | <12.5 | >8000 (χωρίς λακκούβες)|0 |<0.02 | Pristine | Yes |
| 2 – 3|12,5 – 13,0|4.000 – 5.500|0,5 – 2|0,05 – 0,10|Μικρή προσβολή, τραχύτητα επιφάνειας|Ναι (κατώφλι) |
| 3 – 4|13,0 – 13,3|2.500 – 3.500|3 – 6|0,15 – 0,30|Ορατό λάκκο,<30% wall | Marginal |
| 4 – 5 | 13.3 – 13.5 | 1,200 – 1,800 | 6 – 10 | 0.35 – 0.50 | Significant attack, >30% τοίχος|Όχι |
| 5 – 6|13,5 – 13,7|600 – 900|10 – 15|0,50 – 0,70|Σοβαρή επίθεση, κοντά σε διάτρηση|Όχι |
| >6 | >13.7 | <400 | >15 | >0,70|Διάτρηση πριν από 5000 ώρες|Όχι |
Τα δεδομένα καταδεικνύουν ότι για αξιόπιστη εξυπηρέτηση 5000- ωρών χωρίς κοιλότητες στη διεπιφάνεια ατμού-υγρού, η συγκέντρωση ανθρακικού νατρίου πρέπει να διατηρείται κάτω από το 3%. Σε συγκεντρώσεις άνω του 4%, η δημιουργία κοιλοτήτων ξεκινά πριν από τις 2000 ώρες και εξελίσσεται σημαντικά πριν από τις 5000 ώρες.
**Γιατί υπάρχει το όριο συγκέντρωσης ανθρακικών αλάτων**
Το κρίσιμο όριο περίπου 3% Na2CO3 αντιστοιχεί στη συγκέντρωση στην οποία το ρΗ στη διεπιφάνεια (μετά την εξάτμιση) υπερβαίνει περίπου το 13,0. Σε τιμές pH κάτω από 13,0, το παθητικό φιλμ τιτανίου είναι σταθερό σε ανθρακικά διαλύματα επειδή η διαλυτότητα των τιτανικών ειδών είναι χαμηλή. Σε τιμές pH πάνω από 13,0, η διαλυτότητα του τιτανικού αυξάνεται απότομα και η παθητική μεμβράνη διαλύεται με σημαντικό ρυθμό. Ο κύκλος ξήρανσης συμπυκνώνει το ανθρακικό άλας από 5% στο χύμα σε 10-15% στη διεπιφάνεια, αυξάνοντας το pH από 10,5 σε 13,0-13,5. Όταν η συγκέντρωση ανθρακικού όγκου είναι 3%, η συγκέντρωση διεπαφής μετά την εξάτμιση είναι περίπου 6–9%, αυξάνοντας το pH στο 12,8–13,0 – ακόμα κάτω από το κρίσιμο όριο. Όταν η συγκέντρωση ανθρακικού όγκου είναι 5%, η συγκέντρωση διεπαφής φθάνει το 10–15%, αυξάνοντας το pH πάνω από 13,3 – αρκετό για την έναρξη της δημιουργίας κοιλοτήτων.
**Σενάριο-Οδηγός επιλογής με βάση: Συγκέντρωση ανθρακικού για θερμαντήρες έκπλυσης βολφραμίου**
| Κατάσταση Λειτουργίας|Συγκέντρωση ανθρακικών (%)|Συγκέντρωση βολφραμικού (%)|Συνιστώμενο όριο ανθρακικών αλάτων (%)|Αναμενόμενη διάρκεια ζωής διεπαφής (ώρες)|Μηχανική αιτιολόγηση |
|--------------------|----------------------------|----------------------------|--------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Τυπική έκπλυση, καμπάνια 5000 ωρών|5%|20% |<3% (use alternative pH control) | >5000|Διατηρήστε ανθρακικά κάτω από 3% για ασφάλεια |
| Extended campaign (>8000 ώρες)|5%|20% |<2% | >8000|Συντηρητικός σχεδιασμός για μέγιστη αξιοπιστία |
| Level control eliminates interface exposure | 5% | 20% | Any | >5000|Καμία επίθεση διεπαφής εάν είναι πλήρως βυθισμένη |
| Reduced carbonate (use KOH for pH control) | 2% | 20% | 2% | >5000|Το χαμηλότερο ανθρακικό μειώνει το pH διεπαφής |
| βραχυπρόθεσμη-λειτουργία (<1000 hours) | 5% | 20% | 5% | 800 – 1,200 | Acceptable for temporary service |
| Interface zone protected by PTFE coating | 5% | 20% | 5% | >5000|Η επίστρωση εξαλείφει την προσβολή υγρού-ξηρού κύκλου |
**Πρακτικά μέτρα για τον έλεγχο της συγκέντρωσης ανθρακικών αλάτων**
Τρία πρακτικά μέτρα διατηρούν τη συγκέντρωση ανθρακικού κάτω από το κρίσιμο όριο. Πρώτα, αντικαταστήστε το ανθρακικό νάτριο με υδροξείδιο του καλίου (KOH) για έλεγχο του pH. Το ΚΟΗ δεν συγκεντρώνεται στη διεπιφάνεια με τον ίδιο τρόπο επειδή το τιτανικό κάλιο είναι πιο διαλυτό από το τιτανικό νάτριο. Δεύτερον, εάν πρέπει να χρησιμοποιηθεί ανθρακικό, διατηρήστε τη συγκέντρωση κάτω από 3% περιορίζοντας τις προσθήκες ανθρακικών και παρακολουθώντας εβδομαδιαία με τιτλοδότηση. Τρίτον, εφαρμόστε ένα σύστημα ελέγχου στάθμης που διατηρεί τον θερμαντήρα πλήρως βυθισμένο ανά πάσα στιγμή. Αυτό εξαλείφει εντελώς τη διεπαφή ατμού{4}}του υγρού, αφαιρώντας τον μηχανισμό συγκέντρωσης. Για εγκαταστάσεις όπου η συγκέντρωση ανθρακικού υπερβαίνει το 3%, μια επίστρωση PTFE στη ζώνη διεπαφής εμποδίζει την άμεση επαφή μεταξύ των συμπυκνωμένων αλάτων και της επιφάνειας τιτανίου.
**Σύναψη**
Για θερμαντήρες εμβάπτισης τιτανίου σε βολφραμικό νάτριο 20%, διάλυμα έκπλυσης βολφραμίου ανθρακικού νατρίου 5% στους 75 βαθμούς , η μέγιστη συγκέντρωση ανθρακικού νατρίου για 5000 ώρες λειτουργίας χωρίς διάτρηση στη διεπαφή ατμών-υγρού είναι 3%. Πάνω από το 4%, η δημιουργία κοιλοτήτων ξεκινά πριν από τις 2000 ώρες και εξελίσσεται γρήγορα. Η εξάτμιση της διεπαφής συμπυκνώνει ανθρακικά άλατα, αυξάνοντας το τοπικό pH πάνω από 13,0 και διαλύοντας το παθητικό φιλμ ως διαλυτό είδος τιτανικού. Οι μηχανικοί που καθορίζουν τους θερμαντήρες τιτανίου για έκπλυση βολφραμίου θα πρέπει να διατηρούν το ανθρακικό άλας κάτω από 3% με εβδομαδιαία παρακολούθηση, να εξετάσουν το ενδεχόμενο χρήσης ΚΟΗ για έλεγχο του pH ή να εφαρμόσουν έλεγχο στάθμης για την εξάλειψη της έκθεσης στη διεπαφή. Αυτή η προδιαγραφή συγκέντρωσης ανθρακικών αποτρέπει τον πιο συνηθισμένο τρόπο αστοχίας σε εφαρμογές θέρμανσης με έκπλυση αλκαλικού βολφραμικού.
