برای لوله گرمایش تیتانیومی که در اتوکلاو با فشار بالا-با اسید استیک 5% و کلرید 200 پی پی ام در 250 درجه کار می کند، چه ضخامت دیوار برای مقاومت در برابر خوردگی شکاف زیر یک واشر تفلون لازم است؟

تجارت مهم-در طراحی هیترهای تیتانیومی برای اتوکلاوهای{1}}در دمای بالا
200 ppm کلرید و 5% اسید استیک در دمای 250 درجه در اتوکلاوهای فشار قوی محیطی سخت برای تیتانیوم است. تیتانیوم به طور معمول در برابر اسید استیک مقاوم است، اما ترکیب دمای بالا، کلریدها و واشر تفلون (PTFE) یک خطر بزرگ برای خوردگی شکاف است. واشر PTFE که نفوذ بخاری را از طریق سر اتوکلاو می‌بندد، شکاف محکمی در غلاف{5}} واشر تیتانیوم ایجاد می‌کند. در این شکاف، اکسیژن از دست می‌رود، کلریدها متمرکز می‌شوند و به دلیل هیدرولیز کلرید تیتانیوم، pH به صورت موضعی کاهش می‌یابد. دمای بحرانی شکاف (CCT) تیتانیوم درجه 2 در محلول های کلرید معمولاً 70 تا 80 درجه است. در 250 درجه تیتانیوم بسیار بالاتر از CCT خود است و خوردگی شکاف به سرعت شروع می شود مگر اینکه هندسه شکاف تغییر کند یا تیتانیوم آلیاژ شود. پس از شروع خوردگی شکاف که تابعی از ضخامت دیواره است، از شروع با زمان سوراخ شدن جلوگیری نمی شود. این تحقیق ضخامت دیوار مورد نیاز را برای یک عمر مفید قابل تحمل در شرایط شکاف اجتناب ناپذیر تخمین می زند.

سینتیک خوردگی شکاف در 250 درجه: پیامدهایی برای یکپارچگی مکانیکی
پوشش غیرفعال روی تیتانیوم درجه 2 در حضور کلریدها در دمای 250 درجه از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است، حتی در صورت عدم وجود شکاف. نرخ خوردگی یکنواخت در اسید استیک 5% با 200 پی پی ام Cl{5}} در دمای 250 درجه حدود 0.1-0.2 میلی متر در سال است. با این حال، سرعت خوردگی شکاف در زیر یک واشر PTFE 10-50 برابر بیشتر است. آزمایشات الکتروشیمیایی در شرایط اتوکلاو شبیه سازی شده نرخ رشد شکاف 2-5 میلی متر در سال را نشان می دهد. برای دیوار 1.0 میلی متری، این سوراخ شدن را در عرض 2.5-6 ماه{17}} دیوار پیش بینی می کند: سوراخ شدن در 5-12 ماه. دیوار سوراخ 3.0 میلی متر 7-18 ماه. گسترش زیاد به دلیل عدم تجانس در فشرده سازی واشر، پرداخت سطح و غلظت اکسیژن است. نکته مهم این است که اتصال اساساً خطی است: دو برابر شدن ضخامت دیواره زمان سوراخ شدن را دو برابر می کند. برخلاف خوردگی غیرفعال، که مزایای دیوارهای ضخیم تر می تواند به طور تصاعدی رشد کند، خوردگی شکاف در 250 درجه به دلیل عدم توانایی در تشکیل یک پوشش غیرفعال پایدار برای توقف حمله، سینتیک خطی را نشان می دهد.

خرابی در واشر{0}}رابط غلاف، معمولاً 5 تا 10 میلی متر از لبه واشر رخ می دهد. پس از شروع، شیار خوردگی به سرعت توسعه می یابد. بخاری در اثر نشتی در محل نفوذ از کار می افتد و نه با سوراخ شدن قسمت غوطه ور. بررسی ناموفق پست، یک شیار تیز چاقوی-در زیر واشر را نشان می‌دهد.

تأثیر بر عملکرد حرارتی: گرادیان دما و تخریب واشر
گرادیان حرارتی در سراسر دیوار تیتانیوم در محل واشر کوچک است، زیرا واشر معمولاً در انتهای سرد بخاری (بالاتر از منطقه گرم) قرار دارد. با این حال، گرمای منتقل شده به بالای غلاف، دمای واشر را افزایش می دهد. برای اتوکلاو در دمای 250 درجه، دمای ناحیه واشر بسته به ضخامت دیواره و طول بخش گرم نشده ممکن است 150 تا 200 درجه باشد. PTFE بیش از 260 درجه شکسته می شود، اما در حدود 200 درجه نرم می شود و خزش می کند، که فشرده سازی روی واشر را افزایش می دهد و شکاف شکاف را کاهش می دهد. یک شکاف کم عمق (< 0.05 mm) increases the crevice corrosion because the diffusion of the oxygen is totally prevented. Thicker wall is more conductive for heat transfer to the gasket (lower thermal resistance per unit length). This may result in a 10-20°C increase in gasket temp for a 2.0 mm wall over a 1.0 mm wall. The increase in temperature brings an increase in PTFE creep and crevice corrosion kinetics which partly offsets the benefit of the increased wall thickness.

سنتز: ضخامت دیوار را برای 1 سال عمر مفید جایگزین کنید
ضخامت دیوار (میلی متر) نرخ خوردگی شکاف پیش بینی شده (میلی متر/سال در 250 درجه) زمان تا سوراخ شدن (ماه) دمای واشر (درجه) برای عمر 1 ساله توصیه می شود؟
1.0 میلی متر 3.5 میلی متر در سال (معمولی) 3.5 ماه 180 درجه شماره
1.5 میلی متر 3.5 میلی متر / سال 5 ماه 185 درجه شماره
2.0 میلی متر 3.5 میلی متر در سال 7 ماه 190 درجه بدون (قبل از 12 ماه می شکند)
2.5 میلی متر 3.5 میلی متر در سال 8.5 ماه 195 درجه شماره
3.0 میلی متر 3.5 میلی متر در سال 10 ماه 200 درجه حاشیه ای (ممکن است به 12 ماه نرسد)
4.0 میلی متر 3.5 میلی متر در سال 13.5 ماه 210 درجه بله (خطر خراب شدن PTFE)
داده ها نشان می دهد که حتی یک دیوار 4.0 میلی متری با نرخ خوردگی شکافی 3.5 میلی متر در سال بیش از 13.5 ماه دوام نخواهد آورد و دمای واشر (210 درجه) فراتر از حداکثر توصیه شده برای PTFE (200 درجه پیوسته) است. ضخامت دیوار به تنهایی نمی تواند برای ارائه یک سال عمر مفید برای شرایط شکاف تهاجمی قابل اعتماد باشد.

مهندسی فراتر از دیوار: حذف شکاف و ارتقاء آلیاژ
از آنجایی که ضخامت دیواره فقط به صورت خطی عمر خوردگی شکاف را بهبود می بخشد، تأکید مهندسی باید بر جلوگیری از توسعه شکاف یا ارتقاء آلیاژ تیتانیوم باشد. ابتدا، واشر PTFE با یک اتصال تیتانیوم جوش داده شده جایگزین می شود-به-اتصال فلنجی که شکاف را از بین می برد. یک مهر و موم جوش داده شده (مثلاً یک لوله تیتانیومی که به سر اتوکلاو جوش داده شده است) واشر{6}}رابط غلاف را که محل خوردگی است جدا می کند. دوم، زمانی که تیتانیوم از درجه 2 به درجه 7 (Ti{22}}0.15% Pd) ارتقا یابد، دمای بحرانی شکاف به 150 درجه افزایش می‌یابد. در 250 درجه درجه 7 هنوز خورده می شود، اما در 0.5-1.0 میلی متر در سال یا 3-7 برابر کندتر از درجه 2. عمر مفید لوله درجه 7 با ضخامت دیواره 2.0 میلی متر 2-4 سال است. سوم، یک غلاف PTFE بر روی غلاف تیتانیوم در ناحیه واشر اعمال شد. آستین به عنوان یک مانع بین تیتانیوم و واشر برای جلوگیری از تماس مستقیم فلز با شکاف عمل می کند.

نتیجه گیری: ضخامت دیواره به خودی خود کافی نیست - حذف شکاف مورد نیاز است
برای یک لوله حرارتی تیتانیومی در یک اتوکلاو فشار بالا با 5٪ اسید استیک و 200 ppm کلرید در 250 درجه، ضخامت دیواره لازم برای مقاومت در برابر خوردگی شکاف زیر یک واشر PTFE به طور غیرمنطقی بسیار زیاد است (4.0 میلی‌متر یا بیشتر) و عمر مفید کمتر از 118 ماه دارد. این دمای خوردگی شکاف خطی است (2{13}}5 میلی‌متر در سال) بنابراین ضخیم‌تر بودن دیواره به معنای عمر طولانی‌تر است. راه حل پیشنهادی این است که غلاف تیتانیوم را مستقیماً روی فلنج یا فلنج تیتانیوم جوش دهید تا شکاف را از بین ببرید یا از تیتانیوم درجه 7 با مانع آستین PTFE استفاده کنید. اگر به یک نفوذ واشر نیاز است، تیتانیوم درجه 7 را با حداقل ضخامت دیواره 2.5 میلی متر، یک غلاف PTFE بر روی ناحیه واشر و یک فاصله بازرسی 6 ماهه برای شیار شکاف مشخص کنید. برای تعیین بهترین ترکیب آلیاژ، ضخامت دیواره و روش آب بندی، دمای کار اتوکلاو، غلظت کلرید و عمر تخمینی را به سازنده بدهید. در این محیط سخت، ضخامت دیوار کافی نخواهد بود.