Milline pinnatöötlus (termiline oksüdatsioon vs. anodeerimine) tagab kõrge rõhuga CO₂ keskkonnas 120-kraadise kloriidijäägiga titaankesta jaoks madalaima vesiniku omastamise?

Süsinikdioksiidi kogumine ja ladustamine, nafta ja gaasi tootmine ning ülekriitilised CO2 võimsustsüklid on mõned valdkonnad, kus kõrgsurve süsinikdioksiidi (CO2) keskkonnas leidub sageli kloriidi jälgi. CO 2 lahustub vees temperatuuril 120 kraadi ja 50–200 baari, moodustades süsihappe (H 2 CO 3 ), mille pH langeb 3–4-ni. Vesiniku imendumist titaankestesse soodustavad madal pH, kloriidid ja kõrge temperatuur. Pinnatöötlused, mis suurendavad passiivse kile paksust ja stabiilsust, vähendavad vesiniku imendumist. Termiline oksüdatsioon (õhu kuumutamine 400-600 kraadi juures) annab paksu (0,5-2 μm) kristalse TiO2 kihi mikropragudega. Anodeerimine (elektrokeemiline oksüdatsioon) annab õhukese (0,05–0,2 mm), amorfse, väga tiheda oksiidi. Anodeerimine annab madalaima vesiniku omastamise kõrge rõhu all olevas CO2-s koos mikrokloriididega, kuna kile on parim tihedus ja homogeensus.

Pinnaoksiidide poolt vesiniku omastamise vähendamise mehhanism

Korrosiooniprotsesside käigus tekkivad vesinikuaatomid (2H₂CO3 + 2e⁻ → H₂ + 2HCO₃⁻) peavad difundeeruma läbi oksiidikihi titaanmetalli. Anodeeritud oksiid on amorfne, ilma terade piirideta ja äärmiselt stöhhiomeetriline (TiO 2 ). Vesiniku difusioon anodeeritud TiO2-s on 10-100 korda madalam kui termiliselt toodetud oksiidil, mis sisaldab mikro-pragusid, terade piire ja mittestöhhiomeetrilisi alasid (Ti2O3, TiO). Samuti vähendab anodeeritud kilede suurem dielektriline tugevus elektroonilist juhtivust, mis võib soodustada vesiniku redutseerimist. Termilised oksiidid on paksemad, kuid neil on tavaliselt soojuspaisumise mittevastavuse tõttu pragusid, mis tagavad vesiniku kiire difusiooni.

Vesiniku omastamise kvantitatiivsed määrad erinevate pinnatöötluste jaoks

2. klassi titaankatete vesiniku omastamise määrad on kindlaks tehtud kontrollitud testimise teel kõrgrõhuga CO2 (100 baari, 120 kraadi) 500 ppm kloriidiga (naatriumkloriidina) 1000 tunni jooksul. Kuna-naturaalse oksiidiga (2–5 nm) marineeritud pind neelab 80–150 ppm vesinikku 1000 tunni jooksul, ei sobi see pikaajaliseks{16}}kasutamiseks. Oksüdeerimine 400 kraadi juures 2 tundi annab oksiidi 0,3–0,5 µm ja vesiniku neeldumist 30–60 ppm 1000 tunni kohta. Termiline oksüdatsioon 600 kraadi juures 2 tundi annab 1,0-2,0 µm oksiidi, kuid jahutamisel tekivad mikropraod, mis annavad 20–40 ppm omastamise. Anodeerimine 10 V juures 1% fosforhappes 10 min. tekitab 0,10–0,15 µm amorfset kilet, mille neeldumine on 5–15 ppm. Anodeerimine 20 minuti jooksul 30 V juures 0,5% väävelhappes tekitab 0,20–0,30 µm paksuse kihi, mille neeldumine on 3–8 ppm. Parim kaitse on anodeerimine, millele järgneb sulgemine keevas deioniseeritud vees 30 minuti jooksul, mille tulemuseks on neeldumine alla 3 ppm 1000 tunni kohta.

CO₂ rõhu ja kloriidi kontsentratsiooni mõju ravi tulemuslikkusele

Vesiniku omastamise kiirus suureneb CO2 rõhu ja kloriidi kontsentratsiooni tõustes, kuid pinnatöötluste suhteline jõudlus on sarnane. Anodeeritud pindade (30 V) neeldumine on 2–5 ppm rõhul 50 baari CO₂ ja 100 ppm kloriidi, võrreldes 15–25 ppm termiliselt oksüdeeritud pindade (600 kraadi) juures. Anodeeritud pinnad 5-10 ppm Termiline oksüdatsioon 25-40 ppm 100 bar CO2 500 ppm kloriid Anodeeritud pinnad suurenevad 10-20 ppm-ni ja termiline oksüdatsioon 40-65 ppm rõhul 200 bar CO 2 ja 500 ppm kloriidi. Anodeeritud pinnad neelavad 8-15 ppm 1000 ppm kloriidiga 100 bar CO2 juures ja termiline oksüdatsioon 35-55 ppm. Huvitav on see, et anodeerimise eelised on tõhusamad kõrgel temperatuuril (150 kraadi), kuna amorfne struktuur on termilisele riknemisele vastupidavam kui kristalne termooksiid.

Kõrgsurve CO₂-teenuse{0}}pinnatöötluse valikujuhend

Allolev tabel sisaldab soovitusi 2. klassi titaankatete pinnatöötluse valikuks, sõltuvalt vesiniku neeldumise piiridest, kasutusajast ja CO2 rõhust.

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 (isegi anodeeritud)
Insenerid väljaspool pinnatöötluste valikut

Vesiniku sorptsiooni mõjutab tugevalt titaani klass, kuid mitte pinnatöötlus. 7. astmel (pallaadiumiga stabiliseeritud) on pallaadium-katalüüsitud vesiniku rekombinatsiooni tõttu 3-5 korda madalam algtaseme vesiniku omastamine kui 2. astmel antud pinnatöötluse korral. Seina paksus annab vesiniku kontsentratsioonipuhvri ja 2,0 mm seinal, mille vesinik on ühtlaselt jaotunud 200 ppm, on väiksem hüdriidide sadestumise oht kui 1,0 mm seinal sama kontsentratsiooniga. CO 2 voo puhtus on oluline; hapniku saastatus juba 10 ppm vähendab oluliselt vesiniku omastamist, soodustades passiivse kile stabiilsust, vähendades seeläbi hapniku juuresolekul anodeerimise olulist olemust. Vesiniku perioodilist elektrokeemilist seiret tahkissondi abil saab kasutada vesiniku kogunemise jälgimiseks töö ajal.

Spetsifikatsioon-Teavitatud

Anodeerige 30 V juures 0,5% väävelhappes 20 minutit ja sulgege seejärel 30 minutiks keevasse deioniseeritud vette. Titaanümbris kõrgsurve CO₂ 120 kraadi juures kloriidide jälgedega. Kergete tingimuste korral (CO₂ rõhk < 50 baari, kloriidid < 100 ppm) on 2-tunnine termiline oksüdatsioon 600 kraadi juures kulutõhus viis vastuvõetava kaitse tagamiseks. Kõige nõudlikumate rakenduste jaoks (CO2 rõhk üle 150 baari, kloriidid üle 500 ppm, kasutusiga üle 30 000 tunni) määrake lisaks anodeerimisele ka 7. klassi titaan. Kasutuselevõtt: anodeeritud kile stabiliseerimiseks passiveerige kütteseadet 80-kraadises õhuvabas vees 24 tundi. Selle asemel valib insener anodeerimise termilise oksüdatsiooni asemel, et vähendada vesiniku hapruse ohtu ja tagada ühtlane pikaajaline jõudlus-kõrgsurve CO 2 tingimustes.