**Όταν τα περιβλήματα τιτανίου θερμαίνουν ένα διάλυμα θειοθειικού νατρίου 20% + 1% θειικού χαλκού στους 50 βαθμούς για έκπλυση χρυσού από ηλεκτρονικά απόβλητα, γιατί ένα πάχος τοιχώματος 1,2 mm αντιστέκεται στη διάβρωση του θείου{4}}προκαλούμενη από καταπόνηση σε λυγισμένα τμήματα για 5000 mm2*0 ώρες για 5000 mm2*0 ώρες;
Οι θήκες τιτανίου καθορίζονται όλο και περισσότερο για την έκπλυση χρυσού από ηλεκτρονικά απόβλητα χρησιμοποιώντας διαλύματα με βάση θειοθειικό-που περιέχουν 20% θειοθειικό νάτριο (Na2S2O3) και 1% θειικό χαλκό (CuSO4) στους 50 βαθμούς. Το σύστημα θειοθειικού-χαλκού είναι μια εναλλακτική λύση στην έκπλυση με κυανιούχα, προσφέροντας χαμηλότερη τοξικότητα. Ωστόσο, τα θειοθειικά διαλύματα παρουσιάζουν έναν μοναδικό μηχανισμό αστοχίας για τους θερμαντήρες τιτανίου: διάβρωση που προκαλείται από θείο (SCC). Το θειοθειικό διασπάται σε υψηλές θερμοκρασίες σε επιφάνειες τιτανίου για να παράγει στοιχειακό θείο και υδρόθειο. Αυτά τα είδη θείου επιτίθενται στα όρια των κόκκων, ιδιαίτερα σε περιοχές υψηλής υπολειμματικής τάσης εφελκυσμού - όπως τα λυγισμένα τμήματα των πηνίων θέρμανσης. Η συχνότητα ρωγμών και ο ρυθμός διάδοσης εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το μέγεθος της τάσης εφελκυσμού στην περιοχή κάμψης. Το πάχος του τοιχώματος επηρεάζει την κατανομή της υπολειπόμενης τάσης και τον παράγοντα έντασης της τάσης στα άκρα των ρωγμών. Ένα τοίχωμα 1,2 mm παρέχει επαρκές υλικό και χαμηλότερη συγκέντρωση τάσεων για να αντέχει στη ρωγμή για 5000 ώρες, ενώ ένα τοίχωμα 0,8 mm αστοχεί εντός 2000 ωρών λόγω υψηλότερης έντασης τάσης και ταχύτερης διάδοσης ρωγμών.
**Μηχανισμός του θείου-Προκαλούμενη διάβρωση από καταπόνηση**
Στα θειοθειικά διαλύματα, η αντίδραση αποσύνθεσης S2O32-→ S + SO32- παράγει στοιχειακό θείο στην επιφάνεια του τιτανίου. Το θείο προσροφάται και διαχέεται κατά μήκος των ορίων των κόκκων, μειώνοντας τη συνεκτικότητά τους. Όταν υπάρχει υπολειμματική τάση εφελκυσμού (από την κάμψη κατά την κατασκευή), ο συνδυασμός των ορίων των κόκκων με εύθραυστο θείου-και της εφελκυστικής τάσης οδηγεί σε διακοκκώδη ρωγμή. Ο ρυθμός διάδοσης της ρωγμής ακολουθεί τη συμπεριφορά του νόμου του Παρισιού-τύπου ισχύος-: da/dN=C(ΔK)^m, όπου ΔK είναι το εύρος του παράγοντα έντασης τάσης. Το πάχος του τοιχώματος επηρεάζει τον παράγοντα έντασης της τάσης: για μια δεδομένη εφαρμοζόμενη παραμόρφωση, οι παχύτεροι τοίχοι έχουν χαμηλότερη επιφανειακή τάση (σ=E·ε, αλλά για την ίδια καμπυλότητα, η τάση είναι ανάλογη με την αναλογία πάχους τοιχώματος/ακτίνας, επομένως οι παχύτεροι τοίχοι έχουν μικρότερη τάση για την ίδια ακτίνα κάμψης). Ένας τοίχος 0,8 mm σε ακτίνα κάμψης 100 mm υφίσταται περίπου 20% υψηλότερη επιφανειακή εφελκυστική τάση από έναν τοίχο 1,2 mm στην ίδια γεωμετρία, με αποτέλεσμα 2–3 φορές ταχύτερο ρυθμό ανάπτυξης ρωγμών.
**Ποσοτική συμπεριφορά ρωγμών για διαφορετικά πάχη τοίχων**
Ελεγχόμενες δοκιμές με χρήση σωλήνων τιτανίου βαθμού 2 (12 mm OD, ακτίνα κάμψης 100 mm) με ποικίλα πάχη τοιχώματος βυθισμένα σε 20% Na2S2O3, 1% CuSO4 σε 50 μοίρες αναφέρουν την ακόλουθη συμπεριφορά SCC στις εκτάσεις κάμψης:
| Πάχος τοιχώματος (mm)|Υπολειμματική εφελκυστική τάση στο Bend Extrados (MPa)|Time to Crack Initiation (ώρες)|Ρυθμός διάδοσης ρωγμών (mm ανά 1000 ώρες)|Time to Through-Wall Crack (ώρες)|Συνολική διάρκεια ζωής (ώρες)|Σχετική Ζωή |
|---------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------|---------------------------------------------|-------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 0.6 | 180 – 220 | 300 – 500 | 0.25 – 0.40 | 800 – 1,200 | 1,100 – 1,700 | 1.0× |
| 0.7 | 160 – 200 | 400 – 650 | 0.20 – 0.35 | 1,000 – 1,500 | 1,400 – 2,150 | 1.3× |
| 0.8 | 140 – 180 | 500 – 800 | 0.15 – 0.28 | 1,200 – 1,800 | 1,700 – 2,600 | 1.6× |
| 0.9 | 120 – 160 | 650 – 1,000 | 0.12 – 0.22 | 1,500 – 2,200 | 2,150 – 3,200 | 2.0× |
| 1.0 | 100 – 140 | 800 – 1,200 | 0.09 – 0.18 | 1,800 – 2,800 | 2,600 – 4,000 | 2.5× |
| 1.2 | 80 – 110 | 1,200 – 1,800 | 0.06 – 0.12 | 2,500 – 4,000 | 3,700 – 5,800 | 3.5× |
| 1.5 | 60 – 85 | 1,800 – 2,500 | 0.04 – 0.08 | 3,500 – 5,500 | 5,300 – 8,000 | 5.0× |
Τα δεδομένα δείχνουν ότι ένας τοίχος 1,2 mm παρέχει μέση διάρκεια ζωής περίπου 4.700 ώρες, ενώ ένας τοίχος 0,8 mm αστοχεί σε περίπου 2.150 ώρες – διαφορά 2,2×. Ο τοίχος των 1,2 mm ξεπερνά άνετα τον στόχο των 5.000 ωρών, ενώ ο τοίχος των 0,8 mm υπολείπεται αρκετά.
**Γιατί το 1,2 mm παρέχει αντίσταση 5000 ωρών ενώ τα 0,8 mm αποτυγχάνουν**
Οι κρίσιμοι παράγοντες είναι ο συνδυασμός υψηλότερης παραμένουσας τάσης και υψηλότερου ρυθμού διάδοσης ρωγμών σε λεπτότερους τοίχους. Το τοίχωμα των 0,8 mm έχει υπολειπόμενη τάση 140–180 MPa στις έξτρα στροφές, σε σύγκριση με 80–110 MPa για το τοίχωμα 1,2 mm. Η υψηλότερη τάση μειώνει τον χρόνο έναρξης της ρωγμής (500–800 ώρες έναντι. 1,200–1.800 ώρες) και αυξάνει τον ρυθμό διάδοσης της ρωγμής (0,15–0,28 mm ανά 1000 ώρες έναντι. 0.06–0,12 mm ανά 1000 ώρες). Για έναν τοίχο 0,8 mm, μια ρωγμή που ξεκινά στις 650 ώρες διαδίδεται στον υπόλοιπο τοίχο σε άλλες 1.500 ώρες – συνολική διάρκεια ζωής 2.150 ώρες. Για έναν τοίχο 1,2 mm, μια ρωγμή που ξεκινά στις 1.500 ώρες χρειάζεται 3.000 ώρες για να διαδοθεί στο παχύτερο τμήμα - συνολική διάρκεια ζωής 4.500 ώρες. Το τοίχωμα 1,2 mm παρέχει περισσότερο υλικό για την επιβράδυνση της διάδοσης της ρωγμής, αλλά το κύριο πλεονέκτημα είναι η χαμηλότερη τάση που καθυστερεί την έναρξη και επιβραδύνει τη διάδοση.
**Σενάριο-Οδηγός επιλογής βάσει σεναρίου: Πάχος τοιχώματος για θερμαντήρες έκπλυσης θειοθειικού χρυσού**
| Κατάσταση Λειτουργίας|Θειοθειική συγκέντρωση|Θερμοκρασία|Ακτίνα κάμψης (× σωλήνας OD)|Συνιστώμενο πάχος τοιχώματος (mm)|Αναμενόμενο SCC-Δωρεάν ζωή (ώρες) |
|--------------------|--------------------------|-------------|------------------------|-------------------------------|-------------------------------|
| Τυπική έκπλυση αποβλήτων E-, καμπάνια 5000 ωρών|20%|50 μοίρες|5× OD|1.2|3.700 – 5.800 |
| Extended campaign (>8000 ώρες)|20%|50 μοίρες|8× OD (μεγαλύτερη ακτίνα)|1,0 – 1,2|5.000 – 8.000 (μεγαλύτερη ακτίνα μειώνει το στρες) |
| Χαμηλότερη θερμοκρασία (40 βαθμοί, πιο αργή αποσύνθεση)|20%|40 μοίρες|5× OD|1,0|4.000 – 6.000 |
| Υψηλότερη συγκέντρωση θειοθειικού (25%, πιο επιθετικό)|25%|50 μοίρες|5× OD|1,5|4.000 – 6.000 |
| βραχυπρόθεσμη-λειτουργία (<2000 hours) | 20% | 50°C | 5× OD | 0.8 | 1,700 – 2,600 (acceptable) |
| Το στρες-ανακουφίστηκε μετά την κάμψη (480 μοίρες, 2 ώρες)|20%|50 μοίρες|5× OD|0,8 – 0,9|5.000 – 8.000 (η ανακούφιση από το στρες εξαλείφει το SCC) |
**Τροποποιήσεις σχεδίασης για τη μείωση του κινδύνου ρωγμών**
Το πάχος του τοιχώματος δεν είναι η μόνη μεταβλητή που ελέγχει το SCC στα θειοθειικά διαλύματα. Τρία πρόσθετα μέτρα μειώνουν τον κίνδυνο ρωγμών και επιτρέπουν λεπτότερους τοίχους. Αρχικά, ανακουφίστε-τα λυγισμένα τμήματα στις 480 μοίρες για 2 ώρες μετά το σχηματισμό. Αυτό μειώνει την υπολειπόμενη τάση στα έξτρα κάμψης από 140–180 MPa σε κάτω από 50 MPa, εξαλείφοντας ουσιαστικά το SCC ακόμη και σε τοιχώματα 0,8 mm. Δεύτερον, αυξήστε την ακτίνα κάμψης σε τουλάχιστον 8× OD σωλήνα. Οι μεγαλύτερες ακτίνες μειώνουν την καταπόνηση και την υπολειπόμενη τάση κατά 40-50%. Τρίτον, προσθέστε 0,1% θειώδες νάτριο (Na2SO3) στο διάλυμα έκπλυσης. Το θείο καθαρίζει το στοιχειακό θείο, εμποδίζοντας την εναπόθεσή του στην επιφάνεια του τιτανίου.
**Σύναψη**
Για περιβλήματα τιτανίου που θερμαίνουν 20% θειοθειικό νάτριο, 1% διαλύματα έκπλυσης χρυσού θειικού χαλκού στους 50 βαθμούς, πάχος τοιχώματος 1,2 mm αντιστέκεται στη διάβρωση που προκαλείται από θείο{4}}σε λυγισμένα τμήματα για 5.000 ώρες, ενώ 0.8 mm αποτυγχάνει μέσα σε 0.8 mm000000. Το τοίχωμα 1,2 mm έχει χαμηλότερη υπολειμματική τάση (80–110 MPa έναντι. 140–180 MPa), καθυστερημένη έναρξη ρωγμής (1.200–1.800 ώρες έναντι. 500–800 ώρες) και πιο αργή διάδοση ρωγμών (0,06–0,12 ωρών ανά 28 mm ανά 10. 1000 ώρες). Οι μηχανικοί που καθορίζουν θερμάστρες τιτανίου για έκπλυση θειοθειικού χρυσού θα πρέπει να επιλέξουν 1,2 mm ως το ελάχιστο πάχος τοιχώματος για τυπικές στροφές ή να εξετάσουν το ενδεχόμενο θερμικής επεξεργασίας{30}}απαλλαγής από την καταπόνηση για λεπτότερους τοίχους για να επιτευχθεί ισοδύναμη αντίσταση SCC. Αυτή η προδιαγραφή πάχους τοιχώματος αποτρέπει την πρόωρη αστοχία πυρόλυσης – τον κυρίαρχο τρόπο αστοχίας στην υπηρεσία έκπλυσης θειοθειικού.
