حداکثر شار حرارتی مجاز برای بخاری غلاف تیتانیوم درجه 7 که در 15٪ اسید سولفوریک در دمای 90 درجه غوطه ور است برای جلوگیری از جوش موضعی-از خوردگی القایی چقدر است؟

دمای بالا در عملیات اسید سولفوریک محیط سختی برای تجهیزات گرمایش تیتانیوم است. تیتانیوم درجه 7 (Ti{8}}0.15Pd) در شرایط غوطه وری معمولی در 15% H2SO4 در دمای 90 درجه سانتیگراد مقاومت به خوردگی خوبی دارد، اما شیمی محلی با وجود سطح داغ بسیار تغییر می کند. در سطح غلاف تیتانیوم، زمانی که شار حرارتی به یک مقدار بحرانی می‌رسد، جوشاندن موضعی محلول اسید سولفوریک در فصل مشترک فلز{12}}مایع انجام می‌شود. جوشش منجر به غلظت اسید در نزدیکی سطح گرم می شود و دمای محلی را بالای 90 درجه افزایش می دهد و می تواند رفتار خوردگی را از غیرفعال به فعال تغییر دهد. نتیجه یک حمله تسریع شده است که به‌عنوان حلقه‌ای از خوردگی در رابط مایع{17}بخار یا به‌عنوان حفره‌ای بلافاصله زیر حباب‌های بخار چسبنده دیده می‌شود. این مقاله حداکثر شار حرارتی مجاز را برای گرمکن های غلاف تیتانیوم درجه 7 در اسید سولفوریک 15 درصد در دمای 90 درجه تعیین می کند تا از این مکانیسم خوردگی ناشی از جوش جلوگیری شود.

فرآیند خوردگی ناشی از جوش
اسید سولفوریک یک محلول غیرآزئوتروپیک است که نقطه جوش آن به غلظت آن بستگی دارد. برای 15% H2SO4 در فشار اتمسفر، نقطه جوش عمده حدود 103 درجه است. هنگامی که دمای سطح غلاف بخاری از دمای جوش محلی بیشتر شود، حباب های بخار در نواقص سطحی هسته می شوند. تشکیل حباب باعث می شود که لایه مایع بین آن و سطح داغ تبخیر شود و اسید سولفوریک در آن لایه نازک متمرکز شود. غلظت می تواند از 15٪ به 30-50٪ در میلی ثانیه از هسته حباب افزایش یابد و دمای محلی در سطح فلز زیر حباب به دمای فوق گرم دیوار می رسد، معمولا 5-20 درجه سانتیگراد بالاتر از نقطه جوش حجیم.

In sulfuric acid, the passive-active transition of Grade 7 titanium is observed at a critical combination of concentration and temperature. Grade 7 is passive in 15% acid at 90 C with corrosion rate of less than 0.05 mm per year. In 30% acid at 100°C the corrosion rate increases to 0.5-1.0 mm/year. In 40% acid at 110°C, the rate is >5 میلی متر در سال لایه غلظت ناشی از جوش-به صورت موضعی شرایط تهاجمی را دقیقاً ایجاد می‌کند و منجر به از دست دادن سریع فلز در محل‌های هسته‌زایی حباب می‌شود.

تعیین آستانه شار حرارتی
شار حرارتی بحرانی (CHF) برای جوشاندن هسته 15٪ اسید سولفوریک در 90 درجه، شرایطی است که در آن تشکیل حباب بخار به اندازه کافی قوی است تا یک لایه اسید غلیظ را حفظ کند. تحت CHF، حباب ها به صورت دوره ای ظاهر می شوند و به سرعت از بین می روند و به پوشش غلیظ اجازه می دهد تا قبل از شروع خوردگی جدی در قسمت عمده قرار گیرد. بالاتر از CHF، چگالی حباب افزایش می‌یابد، ادغام اتفاق می‌افتد و ممکن است یک لایه بخار پیوسته تشکیل شود (انتقال به جوشیدن فیلم). این اثرات باعث تسریع غلظت و خوردگی می شود.

مطالعات تجربی با یک پروب آزمایش تیتانیوم درجه 7 غوطه ور در 15% H2SO4 در 90 درجه، افزایش ناگهانی نرخ خوردگی در شارهای حرارتی بیش از 35 کیلووات بر متر مربع را نشان می دهد. نرخ خوردگی در 25 کیلووات بر متر مربع کمتر از 0.05 میلی متر در سال است. در 35 کیلووات بر متر مربع، نرخ به 0.10 میلی‌متر در سال می‌رسد، که هنوز برای اکثر کاربردها قابل قبول است. در 45 کیلووات بر متر مربع، نرخ به 0.35 میلی متر در سال می رسد. نرخ از 0.8 میلی متر در سال در 55 کیلووات بر متر مربع فراتر می رود و خوردگی حلقه قابل مشاهده در فصل مشترک بخار{21}}مایع رخ می دهد. حمله موضعی سریع یک دیوار 1.65 میلی متری را در 1000 ساعت با سرعت 65 کیلووات بر متر{sup 2} سوراخ می کند.

The maximum permissible heat flux for safe long term (>5 سال) عملکرد 40 کیلووات بر متر مربع است. برای برنامه هایی با عمر مفید 2-3 سال، 50 کیلووات بر متر مربع مجاز است. اگر مقدار بالای 60 کیلووات بر متر مربع باشد، تیتانیوم درجه 7 صرف نظر از ضخامت دیوار مناسب نیست.

عوامل کاهش دهنده و ماتریس کاربرد
شرایط عملیاتی و تنظیم بخاری حداکثر شار حرارتی مجاز (kW/m2) مکانیسم خوردگی پیش بینی شده ضخامت دیوار توصیه شده
جهت عمودی، کاملاً غوطه ور، همرفت طبیعی خوب 40 کیلو وات بر متر مربع (پیوسته) خوردگی غیرفعال یکنواخت<0.05 mm/year 1.2-1.65 mm
کاملاً غوطه ور، تراز افقی، همرفت خوب 35 کیلو وات بر متر مربع غلظت جوش کم در سطح بالایی 1.65 میلی متر
نیمه غوطه ور (بخار-رابط مایع موجود) 25 کیلووات بر متر مربع خوردگی حلقه منیسک 2.0 میلی متر یا جلوگیری از فرو رفتن جزئی
مخزن هم زده (فشار مکانیکی یا هوا) 50 کیلو وات بر متر مربع حباب شکسته شده در اثر هم زدن، غلظت 1.2-1.5 میلی متر را کاهش می دهد.
مخزن با گردش کم و راکد 30 کیلووات بر متر مربع طول عمر حباب باعث افزایش حمله 1.65 میلی متری می شود
هر سرویس با رسوب سطحی / رسوب گیری 25 کیلووات / متر مربع رسوب گیری دمای سطح محلی را 2.0 میلی متر افزایش می دهد توصیه های طراحی عملی
حداکثر شار حرارتی مجاز برای کار مداوم بدون خوردگی جوش برای یک هیتر غلاف تیتانیوم درجه 7 غوطه ور در اسید سولفوریک 15 درصد در دمای 90 درجه 40 کیلو وات بر متر مربع است. این شار حرارتی منجر به دمای سطحی در حدود 8-10 درجه بالاتر از دمای مایع توده می شود، سطح فلز را زیر 100 درجه نگه می دارد و قدرت محرکه هسته شدن حباب بخار را محدود می کند. مهندسان باید مساحت سطح گرم شده را به جای چگالی وات افزایش دهند تا نرخ گرمایش مطلوب را در این محدودیت به دست آورند. همان توان کل را می توان با شار حرارتی کمتر با استفاده از بخاری بلندتر یا لوله های با قطر کوچکتر پشت سر هم تامین کرد. هنگام سفارش بخاری، شار حرارتی غلاف محاسبه شده (قدرت کل تقسیم بر سطح غلاف غوطه ور) را بخواهید و مطمئن شوید که بیشتر از 40 کیلووات بر متر مربع نباشد. در سیستم هایی با گردش ضعیف یا جاهایی که غوطه وری جزئی اجتناب ناپذیر است، شار مجاز را به 25-30 کیلووات بر متر مربع کاهش دهید یا یک روش گرمایشی جایگزین مانند بخاردهی انتخاب کنید.