در محیطی با فشار-دیاکسید کربن بالا با کلریدهای کمیاب در 120 درجه، کدام عملیات سطحی (اکسیداسیون حرارتی در مقابل آنودایز کردن) کمترین میزان جذب هیدروژن را برای غلاف تیتانیوم ارائه میکند؟
پیام بگذارید
جذب و ذخیرهسازی کربن، تولید نفت و گاز و چرخههای قدرت فوق بحرانی CO2 از جمله میدانهایی هستند که ردیابی کلرید در محیطهای دی اکسید کربن فشار بالا (CO2) اغلب یافت میشود. CO 2 در 120 درجه و 50-200 بار در آب حل می شود و اسید کربنیک (H 2 CO 3 ) را تشکیل می دهد که pH آن به 3-4 کاهش می یابد. جذب هیدروژن در غلاف تیتانیوم با pH پایین، کلریدها و دمای بالا افزایش می یابد. درمان های سطحی که باعث افزایش ضخامت و پایداری لایه غیرفعال می شوند، جذب هیدروژن را کاهش می دهند. اکسیداسیون حرارتی (گرمایش هوا در 400-600 درجه) یک لایه TiO2 کریستالی ضخیم (0.5-2 میکرومتر) با ریز ترکها ایجاد میکند. آندایزینگ (اکسیداسیون الکتروشیمیایی) یک اکسید نازک (0.05-0.2 میلی متر)، آمورف و بسیار متراکم تولید می کند. آنودایز کردن به دلیل بهترین چگالی و همگنی فیلم، کمترین میزان جذب هیدروژن را در CO2 فشار بالا با کلریدهای کمی به همراه دارد.
مکانیسم کاهش جذب هیدروژن توسط اکسیدهای سطحی
اتم های هیدروژن تولید شده توسط فرآیندهای خوردگی (2H2CO3 + 2e-→ H2 + 2HCO3-) باید از طریق لایه اکسید به فلز تیتانیوم پخش شود. اکسید آنودایز آمورف، بدون مرز دانه و بسیار استوکیومتری (TiO2) است. نفوذ هیدروژن در TiO2 آنودایز شده 10- 100 برابر کمتر از اکسید تولید شده حرارتی است که شامل ترکهای میکرو، مرز دانهها و مناطق غیر استوکیومتری (Ti2O3، TiO) است. همچنین، استحکام دی الکتریک بالاتر فیلم های آنودایز شده، هدایت الکترونیکی را کاهش می دهد که ممکن است باعث کاهش هیدروژن شود. اکسیدهای حرارتی ضخیمتر هستند، اما به دلیل عدم تطابق انبساط حرارتی که مسیرهای انتشار سریع هیدروژن را فراهم میکند، ترک دارند.
نرخ های کمی جذب هیدروژن برای درمان های سطحی مختلف
نرخ جذب هیدروژن غلاف های تیتانیوم درجه 2 از طریق آزمایش کنترل شده در CO2 فشار بالا (100 بار، 120 درجه) با 500 ppm کلرید (به عنوان NaCl) به مدت 1000 ساعت تعیین شده است. از آنجایی که سطح ترشی با اکسید طبیعی (2 تا 5 نانومتر) 80 تا 150 پیپیام هیدروژن در هر 1000 ساعت جذب میکند، بنابراین برای استفاده طولانیمدت مناسب نیست. اکسیداسیون در دمای 400 درجه به مدت 2 ساعت، یک اکسید 0.3-0.5 میکرومتر و جذب هیدروژن 30 تا 60 ppm در هر 1000 ساعت به دست میدهد. اکسیداسیون حرارتی در دمای 600 درجه به مدت 2 ساعت یک اکسید 1.0-2.0 میکرومتری تولید میکند، اما در هنگام خنکشدن، ترکهای ریز ایجاد میشوند و 20-40 ppm جذب میکنند. آندایز کردن در ولتاژ 10 ولت در اسید فسفریک 1 درصد به مدت 10 دقیقه. فیلم آمورف 0.10-0.15 میکرومتر با جذب 5-15 ppm تولید می کند. آندایزاسیون به مدت 20 دقیقه در ولتاژ 30 ولت در اسید سولفوریک 0.5 درصد، لایه ای به ضخامت 0.20-0.30 میکرومتر با جذب 3-8 ppm ایجاد می کند. بهترین محافظت آندایز کردن است و به دنبال آن آب بندی در آب یونیزه شده در حال جوش به مدت 30 دقیقه، با جذب کمتر از 3 پی پی ام در هر 1000 ساعت.
تأثیر فشار CO2 و غلظت کلرید بر عملکرد تیمار
با افزایش فشار CO2 و غلظت کلرید، سرعت جذب هیدروژن افزایش مییابد، اما عملکرد نسبی تیمارهای سطحی مشابه است. جذب سطوح آنودایز شده (30 ولت) 2 تا 5 پی پی ام در 50 بار CO2 و 100 پی پی ام کلرید است، در مقایسه با 15 تا 25 پی پی ام برای اکسید شده حرارتی (600 درجه). سطوح آنودایز شده 5-10 ppm اکسیداسیون حرارتی 25-40 ppm 100 بار CO2 500 ppm کلرید سطوح آنودایز شده به 10-20 ppm و اکسیداسیون حرارتی به 40-65 ppm در 200 بار CO 2 و 500 ppm کلرید افزایش می یابد. سطوح آنودایز شده 15-8 پی پی ام را با 1000 پی پی ام کلرید در 100 بار CO2 جذب می کنند و اکسیداسیون حرارتی 35-55 پی پی ام را جذب می کند. جالب توجه است که مزایای آنودایز در دمای بالا (150 درجه) موثرتر است زیرا ساختار آمورف نسبت به اکسید حرارتی کریستالی در برابر زوال حرارتی مقاوم تر است.
راهنمای انتخاب برای درمان سطحی خدمات CO₂ پر فشار{{0}
جدول زیر حاوی پیشنهادهایی برای انتخاب عملیات سطحی غلاف های تیتانیوم درجه 2 است که به محدودیت های جذب هیدروژن، زمان سرویس و فشار CO2 بستگی دارد.
Nominal Service Life (hours) CO2 Pressure (bar) Chloride Concentration (ppm) Suggested Surface Treatment Hydrogen Uptake (ppm/1,000h)Pickled just 40–80 10,000 50 500 Thermal oxidation (400°C) 15–30 20,000 100 500 Anodizing (10V) 5–15 20,000 100 1,000 Anodizing (30V) + sealing 3–8 50,000 200 500 Anodizing (30V) + sealing + Grade 7 1–3 10,000 200 2,000Not suitable for Grade 2 >30 (حتی آنودایز شده)
مهندسی فراتر از انتخاب درمان های سطحی
جذب هیدروژن به شدت تحت تأثیر درجه تیتانیوم است اما تحت تأثیر عملیات سطحی قرار نمی گیرد. درجه 7 (پالادیوم تثبیت شده) به دلیل بازترکیب هیدروژن کاتالیز شده پالادیوم، 3-5 برابر کمتر از درجه 2 جذب هیدروژن پایه دارد. ضخامت دیواره یک بافر غلظت هیدروژن می دهد و یک دیواره 2.0 میلی متری با 200 پی پی ام هیدروژن به طور یکنواخت توزیع شده نسبت به دیواره 1.0 میلی متری با همان غلظت، خطر کمتری برای رسوب هیدرید دارد. خلوص جریان CO 2 مهم است. آلودگی اکسیژن به اندازه 10 ppm با تشویق به پایداری فیلم غیرفعال، جذب هیدروژن را تا حد زیادی کاهش می دهد، در نتیجه ماهیت ضروری آنودایز کردن در حضور اکسیژن را کاهش می دهد. نظارت دوره ای الکتروشیمیایی هیدروژن با استفاده از یک کاوشگر حالت جامد می تواند برای نظارت بر تجمع هیدروژن در سرویس استفاده شود.
مشخصات-اطلاع داده شد
آنودایز را در ولتاژ 30 ولت در اسید سولفوریک 0.5 درصد به مدت 20 دقیقه و سپس در آب جوش یونیزه شده به مدت 30 دقیقه ببندید. غلاف تیتانیوم در فشار بالا CO2 در 120 درجه با کلریدهای کمیاب. برای شرایط ملایم (فشار CO2 < 50 بار، کلرید < 100 ppm)، اکسیداسیون حرارتی در 600 درجه به مدت 2 ساعت یک راه مقرون به صرفه برای ایجاد حفاظت قابل قبول است. برای سختترین کاربردها (فشار CO2 بیش از 150 بار، کلریدها بیش از 500 ppm، عمر مفید بیش از 30000 ساعت) علاوه بر آندایز کردن، تیتانیوم درجه 7 را مشخص کنید. راه اندازی: بخاری را در آب بدون هوادهی در دمای 80 درجه به مدت 24 ساعت غیرفعال کنید تا فیلم آنودایز تثبیت شود. درعوض، مهندس آندایز کردن را به اکسیداسیون حرارتی برای کاهش خطر تردی هیدروژنی و ارائه عملکرد پایدار در درازمدت در شرایط{24}CO2 با فشار بالا انتخاب میکند.
