برای بخاری غوطه وری تیتانیوم نصب شده در مخزن گوگرد مذاب (135 درجه، حاوی سولفید هیدروژن و پلی سولفید)، چرا دیوار ضخیم تر مفید نیست زیرا خوردگی یکنواخت است و عمر با انحلال کامل آهن تعیین می شود؟

مبادله اساسی در طراحی هیتر تیتانیوم برای سرویس در گوگرد مذاب
Molten sulphur tanks are maintained at 135°C to keep sulphur in liquid form for transportation or processing. The sulfur is saturated with hydrogen sulfide (H₂S) and polysulfides (H₂S_x) in solution. Titanium immersion heaters are utilized because titanium has strong resistance to sulphur and sulphides at moderate temperatures. However, titanium corrodes in molten sulfur by a chemical process: Ti + 2S ->TiS2 خوردگی ثابت است و در یک ناحیه سوراخ نمی شود یا ترک نمی خورد. نرخ بسته به محتوای H2S حدود 0.05-0.15 میلی متر در سال است. از آنجایی که خوردگی یکنواخت است، اتلاف کل فلز (نازک شدن دیواره) عمر بخاری را دیکته می کند. ضخامت دیواره بیشتر به معنای عمر بیشتر است. دو برابر ضخامت دیوار به معنای دو برابر عمر مفید است. اما هیچ ضخامت آستانه ای وجود ندارد که در زیر آن خوردگی تسریع شود یا بالاتر از آن متوقف شود. (با سوراخ شدن دیواره های ضخیم تر، بازدهی کاهش می یابد.) این تحقیق دلیل پوسته ریزی ساده خطی در صورت خوردگی یکنواخت و ضخامت بهینه دیوار (1.5-2.0 میلی متر) در صورت سرویس گوگرد مذاب را نشان می دهد.

مکانیسم خوردگی یکنواخت: تأثیر بر یکپارچگی مکانیکی
سطح تیتانیوم به طور مستقیم با گوگرد و پلی سولفیدهای موجود در گوگرد مذاب در دمای 135 درجه واکنش می دهد که منجر به تشکیل دی سولفید تیتانیوم (TiS2) می شود. پوشش TiS 2 نسبتاً محافظ است اما به آرامی توسط گوگرد مذاب جاری حل می شود یا پاره می شود. نرخ خوردگی از سینتیک خطی پیروی می کند: d=kt، که k 0.05-0.15 میلی متر در سال است. هیچ آستانه شکست فیلم غیرفعال، هیچ دمای بحرانی برای حفره شدن و هیچ مکانیزمی برای ترک خوردگی ناشی از تنش وجود ندارد. خوردگی در کل سطح غوطه ور ثابت است.

هیچ حمله موضعی وجود ندارد، بنابراین زمان سوراخ کردن به سادگی: t_perf=(ضخامت دیواره شروع) / (نرخ خوردگی) است. اگر میزان خوردگی 0.10 میلی متر در سال باشد، یک دیوار 1.2 میلی متری در 12 سال. 15 سال برای دیوار 1.5 میلی متر. 20 سال برای دیوار ضخامت 2.0 میلی متر سوراخ می شود. رابطه یک خط مستقیم کامل است. بنابراین یک دیوار ضخیم تر به نسبت مستقیم با مواد اضافی مزیت دارد. با این حال، هزینه تیتانیوم نیز به طور خطی با ضخامت بالا می رود. هیچ مزیت غیرخطی برای ضخیم شدن بیش از حد وجود ندارد.

تاثیر عملکرد حرارتی: جریمه انتقال حرارت
یک دیوار ضخیم تر هزینه حرارتی کوچک اما واقعی را به همراه دارد. برای یک شار حرارتی معمولی 2.0 W/cm$^2$، مقاومت همرفتی در گوگرد مذاب غالب است (h $\\حدود $500 W/m$^2$K به دلیل ویسکوزیته بالا). برای دیوار 1.2 میلی متری R_cond=7.1e-5; برای دیوار 2.0 میلی متری R_cond=1.18e-4. مقاومت کل 8 درصد افزایش می یابد، بنابراین دمای سطح 2-3 درجه افزایش می یابد. این سرعت خوردگی را کمی افزایش می دهد (حدود 10٪ برای افزایش 3 درجه سانتیگراد)، تا حدودی مزیت دیواره ضخیم تر را نفی می کند. مزیت کلی افزایش از 1.2 میلی متر به 2.0 میلی متر، افزایش عمر از 12 سال به حدود 18 سال است (نه 20 سال به دلیل شتاب دما). قانون کاهش بازده پابرجاست، هرچند ضعیف.

تخفیف بین ضخامت دیوار و عمر مفید-
ضخامت دیوار (میلی متر) نرخ خوردگی در 135 درجه (میلی متر/سال) ضریب شتاب دما نرخ خوردگی مؤثر (میلی متر/سال) زمان تا سوراخ شدن (سال) هزینه نسبی مواد 1.0 میلی متر 0.10 1.00× 0.10 10 سال 1.0× 1.2 میلی متر 1.0 × 1.2 میلی متر {{6}×1. 0.10 1.05× 0.105 14.3 سال 1.5× 1.8 میلی متر 0.10 1.08× 0.108 16.7 سال 1.8× 2.0 میلی متر 0.10 1.10× 0.110 18.2 سال 2.0× 2.5 میلی متر 0.10 1.15× 0.115 21.7 سال 2.5×
یک دیوار با ضخامت 2.0 میلی متر عمر مفید 18 سال دارد، 80٪ بیشتر از دیوار 1.0 میلی متر، اما با 100٪ هزینه مواد بیشتر. دیوار 1.5 میلی متری 14 سال را با 50 درصد هزینه بیشتر ارائه می دهد که اغلب بهترین نقطه اقتصادی است.

مهندسی پشت دیوار: کنترل دما و کیفیت گوگرد
غلظت H2S در گوگرد مذاب یک پارامتر بسیار حساس برای نرخ خوردگی است. در گوگرد خالص (H2S کم)، میزان آن به 0.03 میلی متر در سال می رسد. گوگرد ترش با H2S و پلی سولفید بالا می تواند تا 0.25 میلی متر در سال باشد. اگر کیفیت گوگرد ضعیف باشد، دیواره ضخیم‌تری مورد نیاز است، اما روش بهتر این است که مخزن گوگرد را با نیتروژن پاشیده و H2S را از بین ببریم و نرخ خوردگی را 70 تا 80 درصد کاهش دهیم. پارگی نیتروژن 30+ سالها مدیریت دمای دیوار 1.2 میلی‌متری نیز مهم است: کاهش دمای مخزن از 135 درجه به 125 درجه، نرخ خوردگی را تا حدود 40 درصد کاهش می‌دهد که دیواره‌های نازک‌تری را ممکن می‌سازد.

نتیجه‌گیری: سود خطی-دیوار را به عنوان تابعی از عمر و هزینه انتخاب کنید
دیواره ضخیم تر برای بخاری غوطه ور تیتانیوم در یک مخزن گوگرد مذاب در دمای 135 درجه با H2S و پلی سولفیدها مفید است زیرا خوردگی یکنواخت است و عمر به مقدار کل فلز محلول بستگی دارد. دوبرابر کردن ضخامت دیواره تقریباً عمر مفید را دو برابر می کند (با اندکی جریمه ناشی از شتاب دما). ضخامت دیوار توصیه شده: 1.2-1.5 میلی متر برای 10 سال زندگی. 1.5-1.8 میلی متر برای 15 سال زندگی؛ 2.0-2.5 میلی متر برای 20 سال زندگی. هیچ اثر آستانه ای وجود ندارد (دیوارهای ضخیم تر کار نمی کنند). بهترین انتخاب اقتصادی معمولاً 1.5 میلی متر است که در دیوار 50٪ بیشتر از 1.0 میلی متر 14 سال عمر می کند. غلظت تخمینی H2S و دمای عملیاتی را در اختیار سازنده قرار دهید تا بتواند نرخ خوردگی دقیق را محاسبه کند. در مورد مذاب گوگرد ضخامت دیوار سرویس یک متغیر طراحی خطی مستقیم است. ضخیم تر بهتر است اما گرانتر{22}}برای زندگی مورد نیاز را انتخاب کنید.