Kodėl stora (2,0 mm) titano sienelė geriau apsaugo nuo peroksido{1}}sukelto trapios lūžio nei plona (1,0 mm) sienelė?

Pavyzdžiui, balinimo, cheminės sintezės ar nuotekų valymo procese proceso inžinierius, valdantis titano panardinamąjį šildytuvą tirpale, kuriame yra vandenilio peroksido (H2O2), turi įvertinti peroksido sukelto trapiojo lūžio pavojų kaip reikšmingą projektavimo veiksnį. Ant titano paviršių vandenilio peroksidas skyla ir susidaro atominis deguonis, o tam tikromis sąlygomis – atominis vandenilis. Vandenilis difunduoja į titano gardelę ir sudaro trapų titano hidridą (TiHx). Storesnė sienelė (2,0 mm) suteikia geresnę apsaugą nuo hidrido -sukelto trapios lūžio nei plona sienelė (1,0 mm) naudojant du mechanizmus: ilgesnį difuzijos atstumą, kad vandenilis pasiektų kritinę koncentraciją, ir didesnį likusį sienelės storį po paviršiaus hidrido gamybos. Kiekybiniai tyrimai rodo, kad 2,0 mm siena atlaikys 4–8 kartus didesnę vandenilio absorbciją prieš įvykstant trapiam lūžiui, palyginti su 1,0 mm siena, todėl peroksido eksploatavimo laikas pailgės 3–6 kartus.

Peroksido{0}}sukeltas vandenilio absorbcijos titane mechanizmas
Titanium surfaces catalyze the exothermic decomposition of hydrogen peroxide . 2H2O2 ->2H2O + O2. Dėl šio gedimo susidaro labai oksiduojanti aplinka, kuri paprastai stabilizuoja pasyviąją TiO2 plėvelę. Tačiau lokalizuotose vietose, kur peroksido koncentracija yra didelė arba temperatūra viršija 60 laipsnių, įvyksta antrinė reakcija: H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O (katodinė redukcija), kuri kaip tarpinį produktą gali sudaryti atominį vandenilį. Atominis vandenilis absorbuojamas į titano gardelę, o ne rekombinuojasi kaip H₂ dujos. Patekęs į titano paviršių, vandenilis pasklinda į tempimo įtempių sritis (dažniausiai išorinį paviršių kintant temperatūrai). Titano hidrido (TiH2) nusodinimas įvyksta, kai vietinė vandenilio koncentracija viršija maždaug 150 ppm masės (150 ppmw). Hidrido plokštelės yra trapios ir padidina tūrį maždaug 17 %, sukurdamos vidinius įtempius, kurie sukelia įtrūkimus. Lūžis yra greitas ir sunkus, mažai perspėjantis.

Kiekybinis sienelės storio poveikio hidrido atsparumui lūžiams įvertinimas
Sienelės storis (mm) Laikas pasiekti kritinę H koncentraciją (150 ppmw) paviršiuje (mėn.) Vidurio sienelės kritinė H koncentracija (ppm w), kai paviršius pasiekia 150 ppmw Laikas, iki -sienos hidrido įtrūkimo (mėnesiais) Santykinis tarnavimo laikas 1.0 3 120 4-5 1.0x 1.2 4 100 6-7 1.5xx {{} 2.5 12 40 22-30 6.0x
2,0 mm siena suteikia beveik 4 kartus ilgiau nei 1,0 mm siena, naudojant tą patį peroksido apdorojimą. Storesnėje sienelėje vandenilis ilgiau pasklinda iki vidurinės sienelės, kad pasiektų kritinę koncentraciją, o prasidėjus hidrido susidarymui, storesnė sienelė taip pat turi didesnį struktūrinį stabilumą.

Scenarijus pagrįstas peroksido sienelės storio pasirinkimo vadovas
Temperatūra ir peroksido koncentracija H2O2 skilimo greitis Rekomenduojamas sienelės storis Numatomas eksploatavimo sutrikimo režimas
1–5 % H₂O₂, 40 laipsnių (balinimas, mažas pavojus)1,5 mm < 5-8 metai Vienoda korozija (ne hidrido)
5–15 % H₂O₂, 50 laipsnių (vidutinė rizika) Vidutinis 1,5–2,0 mm 3–5 metai Hidridas suvirinimo zonose pirmiausia 15–30 % H₂O₂, 60 laipsnių (didelė rizika) Didelis 2,0–2,5 mm 1,5–3 metų įtrūkimai H₂O₂, > 60 laipsnių Labai aukšta Nerekomenduojama<1 yearUse Tantalum Equipment or PTFE Lined
Protarpinis poveikis (partijinė procedūra) Apatinė kumuliacinė 1,5 mm 2–4 metai Priimtinas Hidrido sinerginis + terminis ciklas
H2O2 (didelio grynumo, stabilizuotas fosfatu) Stabilizatoriaus pjūvis 1,5 mm 4-6 metai Stabilizatoriai sumažina skilimą ir vandenilio absorbciją
Peroksidas + chloridas (blogiausiu atveju]Sinerginis Mažiausias 2,5 mm 1-2 metai Kombinuotas chlorido įdubimas + hidrido krekingas
Peroksido tarnybos inžinerinės priemonės
Peroksido aptarnavimui naudojant storasienes titaną, įvairūs papildomi veiksmai dar labiau prailgina tarnavimo laiką. Geriausias būdas yra atvėsinti titano paviršių. Vandenilio absorbcijos greitis sumažinamas maždaug 40–50 procentų kiekvieną kartą sumažinus apvalkalo temperatūrą 10 laipsnių. Bėgimas 50 laipsnių kampu vietoj 70 laipsnių pailgina gyvenimą 3-4 kartus. Kitas būdas – į tirpalą įpilti peroksido stabilizatorių (natrio stanato, natrio pirofosfato arba fosfoninių rūgščių). Stabilizatoriai neleidžia kataliziniam H2O2 skilimui ant titano paviršiaus, sumažina deguonies išsiskyrimą ir vandenilio absorbciją. Vandenilio pasisavinimas iš stabilizuotų peroksido tirpalų yra 70–90% mažesnis nei iš nestabilizuotų tirpalų. Trečia priemonė – periodiškai atkaitinti titano šildytuvą. Šildytuvas 4 valandas kaitinamas iki 400 laipsnių vakuume. Tai pašalina absorbuotą vandenilį ir atkuriamas elastingumas. Šį metodą galite atlikti kartą per metus ir efektyviai iš naujo nustatyti vandenilio koncentraciją iki beveik nulio.

Išvada: 2,0 mm siena suteikia 4x tarnavimo laiką v{2}} mm peroksido tarnyboje
Storesnė (2,0 mm) titano sienelė užtikrina geresnę apsaugą nuo peroksido -sukelto trapios lūžimo, palyginti su plonesne (1,0 mm) sienele, nes vandeniliui reikia daug ilgesnio laiko, kad išsisklaidytų per storesnę dalį ir pasiektų kritinę koncentraciją vidurinėje sienelėje. 1,0 mm sienelė įtrūksta per 4-5 mėnesius nuo hidrido trapumo 10-15% H2O2 esant 60 laipsnių temperatūrai, o 2,0 mm siena išsilaiko 15-20 mėnesių – tai 4 kartus prailginama. Titanas nerekomenduojamas esant didesnei peroksido koncentracijai (daugiau nei 30%) ir temperatūrai (virš 70 laipsnių), nepaisant sienelės storio. Nurodant titano šildytuvą bet kokiai peroksido turinčiajai paslaugai, tiekėjui turėtų būti nurodyta peroksido koncentracija, temperatūra, stabilizatorių buvimas ir numatomas darbo valandų skaičius per dieną, kad būtų lengviau pasirinkti tinkamą sienelės storį, kuris subalansuotų sąnaudas ir numatomą hidrido trūkimo trukmę.