Στην υπηρεσία ζεστού θαλασσινού νερού (60–90 βαθμοί, αλατότητα 3–4%), οι θερμαντήρες PFA προστατεύουν τον μεταλλικό πυρήνα από άμεση χημική επίθεση. Ωστόσο, τα μικροσκοπικά ελαττώματα ή οι οδοί διείσδυσης επιτρέπουν τελικά τα ιόντα χλωρίου να φτάσουν στον πυρήνα. Μόλις το χλώριο έρθει σε επαφή με το μέταλλο, η διάβρωση λόγω καταπόνησης (SCC) γίνεται ο κυρίαρχος μηχανισμός αστοχίας. Ένας πυρήνας τιτανίου Βαθμού 2 αντιστέκεται στο SCC που προκαλείται από το χλωρίδιο-σχεδόν επ' αόριστον, ενώ ένας πυρήνας Incoloy 825 ραγίζει μέσα σε μήνες έως λίγα χρόνια υπό τάση εφελκυσμού. Η διαφορά προκύπτει από την παθητική σταθερότητα του φιλμ: το τιτάνιο σχηματίζει ένα ανθεκτικό στρώμα TiO2 που αυτοθεραπεύεται γρήγορα παρουσία οξυγόνου ή νερού. Το Incoloy σχηματίζει μια μεμβράνη οξειδίου του χρωμίου (Cr2O3) που είναι ευάλωτη σε προσβολή ιόντων χλωρίου, οδηγώντας σε διάτρηση και επακόλουθη έναρξη ρωγμών. Για θερμαντήρες PFA σε περιβάλλοντα με ζεστό θαλασσινό νερό ή άλμη, ένας πυρήνας τιτανίου παρατείνει τη διάρκεια ζωής κατά 5–10× σε σύγκριση με το Incoloy.
Μηχανισμός χλωριδίου-Προκαλούμενη ρωγμή κατά πίεση στο Incoloy
Το Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) βασίζεται σε ένα παθητικό φιλμ οξειδίου του χρωμίου για αντοχή στη διάβρωση. Στο ζεστό θαλασσινό νερό, τα ιόντα χλωρίου απορροφώνται στην επιφάνεια του φιλμ, διαταράσσοντάς το τοπικά. Το εκτεθειμένο μέταλλο διαλύεται, σχηματίζοντας ένα λάκκο. Στο άκρο του λάκκου, το όξινο,-πλούσιο σε χλωριούχα περιβάλλον αποτρέπει την επανα-παθητικοποίηση. Η εφελκυστική τάση (από τη θερμική διαστολή ή την υπολειμματική τάση κατασκευής) συγκεντρώνεται στο λάκκο, προκαλώντας ρωγμή. Μόλις σχηματιστεί μια ρωγμή, διαδίδεται διακοκκικά μέσω του Incoloy. Για έναν θερμαντήρα PFA με σπασμένο περίβλημα ή διαπερατό χλωρίδιο, ο πυρήνας Incoloy συνήθως αποτυγχάνει εντός 1.000–5.000 ωρών στους 80 βαθμούς, ακόμα κι αν το PFA φαίνεται άθικτο. Η ρωγμή αναγκάζει τον πυρήνα να χάσει την ηλεκτρική συνέχεια ή να γειώσει στο PFA, προκαλώντας αστοχία του θερμαντήρα.
Το τιτάνιο Βαθμού 2 (εμπορικά καθαρό) σχηματίζει ένα φιλμ TiO2 που είναι εξαιρετικά σταθερό σε περιβάλλοντα χλωρίου. Το φιλμ αναμορφώνεται σχεδόν αμέσως εάν καταστραφεί, με την προϋπόθεση ότι υπάρχει οξυγόνο ή νερό. Το θαλασσινό νερό περιέχει άφθονο διαλυμένο οξυγόνο. Τα ιόντα χλωρίου δεν διαταράσσουν το φιλμ TiO2. ουσιαστικά το σταθεροποιούν. Το τιτάνιο έχει ανοσία στο χλωριούχο SCC σε θερμοκρασίες κάτω από 120 βαθμούς. Στο ζεστό θαλασσινό νερό, οι πυρήνες τιτανίου δεν εμφανίζουν SCC μετά από 50,000+ ώρες έκθεσης, ακόμη και όταν καταπονούνται μηχανικά.
Συγκριτική απόδοση σε ζεστό θαλασσινό νερό (80 βαθμοί, 3,5% NaCl, 50 MPa εφαρμοσμένη τάση στον πυρήνα)
| Υλικό μεταλλικού πυρήνα | Παθητική ταινία | Χρόνος για Pitting (ώρες) | Time to Crack Initiation (ώρες) | Ώρα για αποτυχία (ώρες) | Κυρίαρχη λειτουργία αποτυχίας | Σχετική Ζωή |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Incoloy 825 (όπως-λήφθηκε) | Cr2O3 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | Διακοκκώδες SCC | 1.0× |
| Incoloy 825 (παθητικοποιημένο) | Cr2O3 | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| Titanium Grade 2 (ανοπτημένο) | TiO2 | >50.000 (κανένα) | >50,000 | >50,000 | Κανένα (δυνατή ολκή αστοχία) | >10× |
| Τιτάνιο Βαθμού 7 (Pd-κράμα) | TiO2 | >50,000 | >50,000 | >50,000 | Κανένας | >10× |
| Ανοξείδωτο ατσάλι 316L | Cr2O3 | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | Pitting + SCC | 0.3–0.5× |
Στοιχεία πεδίου από θαλάσσιους εναλλάκτες θερμότητας
Ένας παράκτιος σταθμός ηλεκτροπαραγωγής χρησιμοποίησε θερμαντήρες PFA με πυρήνες Incoloy 825 σε έναν εναλλάκτη θερμότητας που ψύχεται με θαλασσινό νερό (80 μοίρες). Οι θερμαντήρες αστοχούσαν κάθε 12–18 μήνες λόγω ρωγμών στον πυρήνα. Η ανάλυση μετά{7}}αστοχίας έδειξε διείσδυση χλωρίου μέσω μικροσκοπικών κενών PFA και επακόλουθων SCC του Incoloy. Το εργοστάσιο αντικατέστησε τους θερμαντήρες με πανομοιότυπα περιβλήματα PFA αλλά με πυρήνες τιτανίου Grade 2. Μετά από 5 χρόνια συνεχούς λειτουργίας, δεν παρουσιάστηκε καμία βλάβη. Οι πυρήνες τιτανίου δεν παρουσίασαν σκασίματα ή ρωγμές. Το εργοστάσιο καθορίζει τώρα πυρήνες τιτανίου για όλους τους θερμαντήρες PFA που εκτίθενται σε θαλασσινό νερό{{14}.
Γιατί το Incoloy είναι ακόμα κοινό και πότε είναι αποδεκτό
Το Incoloy εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως επειδή είναι λιγότερο ακριβό (περίπου το 50% του κόστους τιτανίου) και αποδίδει επαρκώς σε περιβάλλοντα μη-χλωριούχου ή σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (<50°C). For freshwater or deionized water service, Incoloy cores can last 10+ years. For hot seawater, brine, or any chloride-rich environment above 60°C, Incoloy is a liability. The additional cost of titanium (typically $200–500 per heater) is recovered after one prevented failure event.
Συστάσεις σχεδιασμού για υπηρεσία χλωρίου
| Περιβάλλο | Συγκέντρωση χλωρίου | Θερμοκρασία | Συνιστώμενο υλικό πυρήνα | Λογική |
|---|---|---|---|---|
| Γλυκό νερό (απιονισμένο) | <10 ppm | Κάθε | Incoloy (οικονομικό-αποτελεσματικό) | Χωρίς κίνδυνο SCC |
| υφάλμυρο νερό | 100–1.000 ppm | <50°C | Incoloy | Δεκτός |
| υφάλμυρο νερό | 100–1.000 ppm | >60 μοίρες | Titanium Grade 2 | Κίνδυνος SCC πάνω από 60 βαθμούς |
| Θαλασσινό νερό (ανοιχτός βρόχος) | 30.000–40.000 ppm | Κάθε | Titanium Grade 2 | Επιτακτικός |
| άλμη (εξατμιστήρας) | >100.000 ppm | >70 μοίρες | Titanium Grade 2 ή Grade 7 | Επιτακτικός |
| Ζεστό θαλασσινό νερό (εναλλάκτης θερμότητας) | 35.000 ppm | 80 μοίρες | Titanium Grade 2 | Proven life >5 χρόνια |
Συμπέρασμα: Ο πυρήνας τιτανίου εξαλείφει τη ρωγμάτωση από χλωριούχο στρες στο ζεστό θαλασσινό νερό
Στην υπηρεσία ζεστού θαλασσινού νερού (80 βαθμοί, 3,5% NaCl), ένας θερμαντήρας PFA με μεταλλικό πυρήνα τιτανίου Grade 2 παρουσιάζει 10× μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από έναν πυρήνα Incoloy 825, επειδή η παθητική μεμβράνη TiO2 του τιτανίου είναι ανθεκτική στη διάβρωση που προκαλείται από το χλωρίδιο-. Το φιλμ οξειδίου του χρωμίου του Incoloy διασπάται σε χλωρίδια, οδηγώντας σε διάτρηση, εκκίνηση ρωγμών και αστοχία μέσα σε μήνες έως λίγα χρόνια. Για κάθε θερμαντήρα PFA που λειτουργεί σε περιβάλλοντα πλούσια σε χλωριούχα-περιβάλλοντα άνω των 60 μοιρών , καθορίστε τον πυρήνα τιτανίου. Το αρχικό ασφάλιστρο κόστους ανακτάται μέσω της εξάλειψης του χρόνου διακοπής λειτουργίας και του κόστους αντικατάστασης. Οι μηχανικοί που επιλέγουν υλικά για θέρμανση θαλάσσης, αφαλάτωσης ή άλμης πρέπει να δώσουν προτεραιότητα στο τιτάνιο. Το Incoloy ανήκει στο γλυκό νερό. το τιτάνιο κυβερνά τη θάλασσα.
