У гарячій морській воді (60–90 градусів, солоність 3–4%) нагрівачі PFA захищають металевий сердечник від прямого хімічного впливу. Однак мікроскопічні дефекти або шляхи проникнення зрештою дозволяють іонам хлориду досягти ядра. Коли хлорид контактує з металом, домінуючим механізмом руйнування стає корозійне розтріскування під напругою (SCC). Титановий сердечник класу 2 майже нескінченно стійкий до SCC, -спричиненого хлоридом, тоді як сердечник Incoloy 825 тріскається протягом кількох місяців або кількох років під дією напруги розтягування. Різниця виникає через стабільність пасивної плівки: титан утворює міцний шар TiO₂, який само{11}}швидко відновлюється в присутності кисню або води. Incoloy утворює плівку оксиду хрому (Cr₂O₃), яка вразлива до атаки іонів хлориду, що призводить до точкової корекції та подальшого утворення тріщин. Для обігрівачів PFA у гарячій морській воді або розсолі титановий сердечник подовжує термін служби в 5–10 разів порівняно з Incoloy.
Механізм хлорид{0}}індукованого розтріскування на Incoloy
Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) покладається на пасивну плівку оксиду хрому для стійкості до корозії. У гарячій морській воді іони хлориду адсорбуються на поверхні плівки, локально руйнуючи її. Оголений метал розчиняється, утворюючи ямку. На кінчику ямки кисле середовище,-багате хлоридами, запобігає ре-пасивації. Напруга розтягування (від теплового розширення або залишкової виробничої напруги) концентрується в ямці, ініціюючи тріщину. Як тільки утворюється тріщина, вона поширюється трансзерно через Incoloy. Для PFA нагрівача з пошкодженою оболонкою або проникаючим хлоридом ядро Incoloy зазвичай виходить з ладу протягом 1000–5000 годин при 80 градусах, навіть якщо PFA здається непошкодженим. Тріщина спричиняє втрату електричної безперервності сердечника або заземлення на PFA, викликаючи вихід з ладу нагрівача.
Титан класу 2 (комерційно чистий) утворює плівку TiO₂, яка надзвичайно стабільна в хлоридних середовищах. Плівка майже миттєво перетворюється в разі пошкодження за наявності кисню або води. Морська вода містить велику кількість розчиненого кисню. Іони хлориду не руйнують плівку TiO₂; вони фактично стабілізують його. Титан стійкий до хлориду SCC при температурах нижче 120 градусів. У гарячій морській воді титанові серцевини не виявляють SCC після 50 000+ годин впливу, навіть за умови механічного навантаження.
Порівняльна продуктивність у гарячій морській воді (80 градусів, 3,5% NaCl, 50 МПа навантаження на керн)
| Матеріал металевого сердечника | Пасивна плівка | Час до виточки (годин) | Час до початку злому (годин) | Час до відмови (годин) | Домінуючий режим відмови | Відносне життя |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Incoloy 825 (як-отримано) | Cr₂O₃ | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | Трансгранулярний СКК | 1.0× |
| Incoloy 825 (пасивований) | Cr₂O₃ | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| Титан класу 2 (відпалений) | TiO₂ | >50 000 (немає) | >50,000 | >50,000 | Немає (можлива пластична поломка) | >10× |
| Титан класу 7 (Pd-легований) | TiO₂ | >50,000 | >50,000 | >50,000 | Жодного | >10× |
| Нержавіюча сталь 316L | Cr₂O₃ | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | Пітінг + SCC | 0.3–0.5× |
Польові дані з морських теплообмінників
Берегова електростанція використовувала нагрівачі PFA із сердечниками Incoloy 825 у теплообміннику з-охолодженням морською водою (80 градусів). Нагрівачі виходили з ладу кожні 12–18 місяців через розтріскування сердечника. Аналіз після-відмови показав проникнення хлориду через мікроскопічні порожнечі PFA та наступний SCC Incoloy. Завод замінив нагрівачі на ідентичні PFA оболонки, але титанові сердечники Grade 2. Після 5 років безперервної роботи жодних збоїв не було. На титанових сердечниках не виявлено виїмок або тріщин. Зараз завод специфікує титанові сердечники для всіх PFA-нагрівачів,-що піддаються впливу морської води.
Чому Incoloy все ще поширений і коли він прийнятний
Incoloy залишається широко використовуваним, оскільки він менш дорогий (приблизно 50% вартості титану) і адекватно працює в не-хлоридних середовищах або за нижчих температур (<50°C). For freshwater or deionized water service, Incoloy cores can last 10+ years. For hot seawater, brine, or any chloride-rich environment above 60°C, Incoloy is a liability. The additional cost of titanium (typically $200–500 per heater) is recovered after one prevented failure event.
Рекомендації щодо проектування хлоридної служби
| Навколишнє середовище | Концентрація хлориду | температура | Рекомендований основний матеріал | Обґрунтування |
|---|---|---|---|---|
| Прісна вода (деіонізована) | <10 ppm | Будь-який | Incoloy (рентабельний-) | Немає ризику SCC |
| Солонувата вода | 100–1000 ppm | <50°C | Інколой | Прийнятно |
| Солонувата вода | 100–1000 ppm | >60 градусів | Титан класу 2 | Ризик SCC вище 60 градусів |
| Морська вода (відкритий контур) | 30 000–40 000 ppm | Будь-який | Титан класу 2 | Обов'язковий |
| Розсіл (випарник) | >100 000 ppm | >70 градусів | Титан 2 або 7 класу | Обов'язковий |
| Гаряча морська вода (теплообмінник) | 35 000 ppm | 80 градусів | Титан класу 2 | Proven life >5 років |
Висновок: титановий сердечник усуває хлоридне розтріскування в гарячій морській воді
У гарячій морській воді (80 градусів, 3,5% NaCl) нагрівач PFA із титановим металевим сердечником класу 2 має в 10 разів довший термін служби, ніж сердечник Incoloy 825, оскільки пасивна плівка TiO₂ титану стійка до корозійного розтріскування під напругою, викликаного хлоридом-. Плівка оксиду хрому Incoloy розпадається на хлориди, що призводить до виразок, утворення тріщин і виходу з ладу протягом декількох місяців або кількох років. Для будь-якого обігрівача PFA, що працює в -багатому хлоридом середовищі вище 60 градусів, укажіть титановий сердечник. Початкова вартість окупається за рахунок усунення простоїв і витрат на заміну. Інженери, які обирають матеріали для суден, опріснення або нагрівання розсолу, повинні віддавати перевагу титану. Інколой відноситься до прісної води; титан править морем.
