Kaip titano lydinio (7 klasės su paladžiu ir 12 laipsnio su molibdenu) pasirinkimas keičia sienelės storį, reikalingą kaitinant 10 % skruzdžių rūgštį virimo temperatūroje?

Pagrindinis kompromisas renkantis lydinį skruzdžių rūgšties naudojimui
Concentrated formic acid (HCOOH, >5 ir maždaug ~100 laipsnių virimo temperatūra esant 1 atm) vidutiniškai redukuoja ir agresyviai naikina nelegiruotą titaną. 2 laipsnio titaną tolygiai puola verdant 10 % skruzdžių rūgštį, kurios greitis viršija 0,5 mm per metus, todėl nerekomenduojama naudoti ilgalaikiam panardinamajam šildytuvui, nepaisant sienelės storio. Šiai aplinkai paprastai nurodomi du titano lydiniai. 7 laipsnis (Ti-0,15 % Pd) ir 12 laipsnis (Ti-0,3 % Mo-0,8 % Ni). Abu padidina atsparumą korozijai per atskirus procesus – paladis pagerina paviršių, molibdenas ir nikelis pagerina katodinę kinetiką. Šių lydinių pasirinkimas tiesiogiai veikia sienelės storį, kad būtų pasiektas nurodytas tarnavimo laikas, nes verdančioje skruzdžių rūgštyje korozijos greitis skiriasi 3–5 kartus. Be to, kiekvienas iš lydinių turi savo unikalias mechanines savybes ir šilumos laidumą, kurie lemia minimalų galimą sienelės storį statybai ir šilumos perdavimui. Šiame tyrime įvertinama lydinio parinkimo įtaka sienelės storiui, reikalingam 5 metų tarnavimo laikui verdančioje 10 % skruzdžių rūgštyje.

Korozijos laipsniai ir nuolaidos: poveikio mechaniniam vientisumui apskaičiavimas
7 ir 12 klasių korozijos mechanizmai kokybiškai skiriasi verdant 10% skruzdžių rūgštį 1000C temperatūroje. 7 klasė susideda iš paladžio (0,12–0,25 masės%), ištirpusio titano matricoje. Paladis yra taurusis metalas, turintis didelį vandenilio potencialą ir perkelia titano korozijos potencialą į pasyviąją sritį, net ir redukuojant rūgštį. Panardinimo bandymai pagal ASTM G31 rodo 0,02-0,05 mm/metus 7 laipsnio korozijos greitį verdančioje 10 % skruzdžių rūgštyje. 12 klasėje naudojamas molibdenas ir nikelis katodinei vandenilio išsiskyrimo reakcijai paspartinti ir leidžiama susidaryti apsauginei hidrido dangai. Toje pačioje aplinkoje jo korozijos greitis yra 0,10–0,15 mm per metus – maždaug tris kartus didesnis nei 7 laipsnio. Projektinis tarnavimo laikas yra 5 metai ir 2 kartus didesnis korozijos koeficientas (ty siena turi būti dvigubai didesnė už numatytą įsiskverbimo gylį), reikalingas sienelės storis vien dėl korozijos sumažinimo yra: 7 laipsnio metai, {0} 5 mm/metai, 0 × 2} 5 mm. 12 klasės – 0,15 mm per metus × 5 metai × 2=1.5 mm. Todėl tik korozijos požiūriu 7 laipsnio sienelę galima naudoti, kai sienelės storis siekia 1,0 mm (plius 0,5 mm mechaniniam stiprumui), o 12 klasei reikia mažiausiai 2,0 mm, kad būtų užtikrinta tokia pati korozijos riba. Tačiau mechaninės charakteristikos ir šilumos laidumas prideda kitų ribų.

Šilumos našumo poveikis: šilumos laidumas ir galios sumažėjimas
Titano lydinių 100 laipsnių šilumos laidumas yra panašus, bet reikšmingas: 7 laipsnio (beveik grynas titanas su paladžiu) k ≈ 17,5 W/m·K ir 12 laipsnio (molibdenas su nikeliu), k ≈ 14,5 W/m·K (≈17 % mažesnis). Atsižvelgiant į tą patį sienelės storį ir galios tankį, 12 laipsnio apvalkalas veiks karštesnis nei 7 laipsnio apvalkalas. Pagal Furjė cilindrinio laidumo lygtį 12 laipsnio šildytuvo sienelės storis yra 2,0 mm, o temperatūros kritimas yra 17 % didesnis nei 7 klasės šildytuvo su 1,0 mm sienele. Dar svarbiau, kad minimalus sienelės storis gamybai nėra vienodas. 12 laipsnio stiprumas yra geresnis (takumo stipris ≈ 480 MPa, palyginti su 7 laipsniu esant ≈ 275 MPa), bet mažesnis plastiškumas (pailgėjimas ≈ 15 %, palyginti su . 20 %). 12 laipsnio vamzdžius galima pritempti prie plonesnės sienelės (mažiausiai 0,7 mm) nei 7 klasės (mažiausiai 0,9 mm), nes dėl didesnio stiprumo vamzdis gali atlaikyti tempimo įtempius be plyšimo. Tačiau abu šie lydiniai yra suvirintuose vamzdžiuose iki 0,5 mm. Praktinis apribojimas yra gebėjimas formuotis į U-lenkimus arba pagal užsakymą suformuotas formas: 12 laipsnio lenkimo spinduliai (mažiausiai 3 × OD) turi būti didesni nei 7 laipsnio (2,5 × OD), nes jis yra mažiau lankstus. Tai turi įtakos šildytuvo geometrijai ir gali prireikti storesnės sienos, jei reikia griežtų posūkių.

Kompetencijos-sintezė: sienelės storio pasirinkimo matrica, skirta 5 metų eksploatacijai
Toliau pateiktoje matricoje lyginami 7 ir 12 laipsniai titano panardinamojo šildytuvo verdančioje 10 % skruzdžių rūgštyje (100 laipsnių, atmosferos slėgis), kurių pageidaujamas tarnavimo laikas yra 5 metai, remiantis tipiniu 2,5 W/cm² galios tankiu.

7 laipsnio parametras (Ti-Pd) 12 laipsnio (Ti-Mo-Ni) inžinerinis poveikis
Korozijos greitis verdančioje 10 % skruzdžių rūgštyje 0,02 – 0,05 mm/metus 0,10 – 0,15 mm/metus 7 klasei būtina numatyti 0,5 mm korozijos pašalpą 5 metams 12 klasei būtina numatyti 1,5 mm.
Minimali korozija pagrįsta siena 5 metus (2x saugos koeficientas) 1,0 mm (0,5 mm leidimas + 0.5 mm valdymas) 2,0 mm (1,5 mm leidimas + 0.5 mm valdymas) 7 klasė gali būti plona-sienos dizainas 12 klasė turi būti stora{11}}siena
Šilumos laidumas (k) prie 100 laipsnių 17,5 W/m K 14,5 W/m KGrade 12 tam tikroje sienoje įkaista 17 %, o tai padidina korozijos greitį.
Rekomenduojamas sienelės storis 5 metų eksploatacijai (subalansuotas dizainas) 1,0 mm – 1,2 mm 1,8 mm – 2,2 mm 7 klasė leidžia naudoti mažesnius, termiškai efektyvesnius šildytuvus. 12 klasei reikia storų sienų, mažo šilumos perdavimo.
U-vamzdžio šildytuvo lenkimo spindulio galimybė 2,5 × OD mažiausiai 3,0 × OD minimali 12 klasė gali reikalauti didesnio šildytuvo ploto arba tiesių -vamzdžių dizaino.
Santykinė medžiagų kaina (už kilogramą) 1,0 (pradinė) 0,7 – 0,8 12 klasė yra pigesnė už masės vienetą, tačiau reikalinga storesnė siena sumažina arba panaikina sąnaudų pranašumą.
Tinka tipiniam naudojimui Agresyviam redukavimui reikalingos rūgštys Tinka švelniai redukuojančioms arba mišrioms rūgštims Jei reikia išvirti 10 % skruzdžių rūgšties, 7 klasė yra techniškai geresnė alternatyva.
Beyond the Wall Inžinerija: vandenilio absorbcija ir suvirinimo kokybė
Kitas skruzdžių rūgšties naudojimo aspektas yra vandenilio absorbcija. 7 laipsnio paladis leidžia rekombinuoti atominį vandenilį į H 2 molekulę, kuri neišsisklaido į titano gardelę. Todėl net ir katodinėmis sąlygomis 7 laipsnio vandenilio įsisavinimas yra labai mažas. 12 klasė be tauriųjų metalų įgalina šiek tiek sugerti vandenilį, o nikelio -molibdeno fazė gali sudaryti trapius hidridus su ilgesniu poveikiu. Naudojant storasienį (2,0 mm) 12 klasės šildytuvą, vandenilio trapumas nenumatomas 5 metus, nes korozijos greitis yra pakankamai mažas, kad apribotų vandenilio susidarymą. Tačiau dėl lokalizuotos korozijos arba galvaninės jungties 12 laipsnio hidrido įtrūkimai yra labiau pažeidžiami nei 7 laipsnio. Suvirinimo vientisumas taip pat skiriasi. Esant pakankamam ekranavimui, 7 klasės suvirinimo siūlės išsaugos atsparumą korozijai, panašų į netauriųjų metalų. 12 laipsnio suvirinimo siūlės karščio paveiktoje zonoje gali būti labiau korozuojamos dėl molibdeno segregacijos. 12 klasei reikalingas po-suvirinimo terminis apdorojimas nebūtinas, bet rekomenduojamas. Jei šildytuvuose yra kelios suvirintos jungtys (flanšai, šilumnešiai ir kt.), 7 klasė yra patikimesnis pasirinkimas.

Išvada: Plonas{0}}sienos dizainas leidžiamas su 7 laipsniu; storos-sienos dizainas pažeistas 12 laipsnio
Titano lydinio pasirinkimas labai įtakoja sienelės storį, reikalingą 10% skruzdžių rūgšties pašildymui iki virimo temperatūros. 7 laipsnio (Ti-Pd) korozijos greitis yra 0,02–0,05 mm per metus, saugus 5- metų eksploatavimo laikas ir 1,0–1,2 mm sienelės storis. 12 laipsnio (Ti-Mo-Ni) korozijos greitis yra 0,10–0,15 mm/metus; taigi sienelės storis tam pačiam tarnavimo laikui turėtų būti 1,8-2,2 mm. 7 klasės padidintas šilumos laidumas skatina šilumos perdavimą, o geresnis jo lankstumas leidžia atlikti griežtesnius lenkimus ir kompaktiškesnius šildytuvus. 12 klasė siūlo mažesnes medžiagų sąnaudas vienam kilogramui, tačiau medžiagai reikalinga storesnė siena atsveria arba paneigia bet kokią sąnaudų naudą, o mažesnis šilumos laidumas turi įtakos energijos vartojimo efektyvumui. Naujiems įrenginiams, kuriuose turi būti kaitinama verdanti 10 % skruzdžių rūgštis, rekomenduojama 7 laipsnio specifikacija, kurios sienelės storis 1,0–1,2 mm. 12 klasė turėtų būti naudojama mažiau agresyviai skruzdžių rūgšties koncentracijai (mažiau nei 5 proc.) arba žemesnei temperatūrai, kai dėl padidėjusio stiprumo ir mažesnės sąnaudos gali būti pateisinama storesnė siena. Prašydami pasiūlymo, nurodykite lydinio klasę ir sienelės storį pagal gamintojo pateiktus korozijos greičio duomenis ir reikalaukite lydinio eksploatacinių savybių patikrinimo panardinimu pagal NACE TM0169.