Miks ületab 7. klassi titaan 80 kraadi juures segatud happelahuste (H₂SO₄ + HCl) kuumutamisel vesiniku- põhjustatud pragunemise vältimisel 2. klassi?

Metallkütteseadmete üks keerulisemaid olukordi on kokkupuude segatud happelahustega, mis sisaldavad nii väävel- kui ka vesinikkloriidhapet. Kõrgendatud temperatuuridel (~80 kraadi) loob HCl-i kloriidide ja H2SO4 redutseeriva iseloomu kombinatsioon tingimused, kus kaubanduslikult puhas titaan (2. klass) muutub haavatavaks vesiniku neeldumise ja sellele järgneva rabestumise suhtes, samas kui pallaadium-stabiliseeritud 7. astme sulam säilitab oma vastupidavuse ja pragunemiskindluse. See erinevus jõudluses on tingitud iga sulami passiivse oksiidkatte säilitamise olemuslikust erinevusest happeliste elektrolüütide segudes. Insenerid, kes määravad marineerimisliinide, metalliviimistlusvannide või keemiliste reaktorite jaoks, mis käitlevad H₂SO₄-HCl segalahuseid, peavad mõistma vesinik{10}}indutseeritud pragunemise (HIC) mehhanismi ja selle sõltuvust pallaadiumisisaldusest, et määrata küttekeha, mis jääb ellu ka pärast esimest hooldustsüklit.

Vesiniku neeldumine titaanisulamite poolt
Titaan neelab vesinikku igal ajal, kui selle pinna elektrokeemiline potentsiaal on väiksem kui Ti/H₂O reaktsiooni tasakaalupotentsiaal – olukord, mida sageli täheldatakse redutseerivate hapete puhul, kus katoodne poolreaktsioon muutub hapniku redutseerimisest prootonite redutseerimiseks. Pärast imendumist migreeruvad vesinikuaatomid interstitsiaalselt läbi titaanvõre ja sadestuvad rabedate titaanhüdriidi (TiH2) trombotsüütidena, kui kohalik vesiniku kontsentratsioon jõuab lahustuvuspiirini, mis on 2. astme puhul ligikaudu 150 ppm 80 kraadi juures. Hüdriidide moodustumise tulemuseks on suur võre sisemise ruumala suurenemine ja ruumala suurenemine5% pinged, mis põhjustavad pragunemist, eriti kolmeteljelise pingega piirkondades, nagu keevisõmbluse kuumusest{7}}mõjutatud tsoonid või torulehtede valtsliited.

H₂SO₄-HCl segalahustes 80 kraadi juures on 2. klassi titaani korrosioonipotentsiaal tavaliselt vahemikus -300 kuni -100 mV võrreldes SCE-ga, mis asub vesiniku eraldumise piirkonnas. Avatud ahela potentsiaali mõõtmiste laboratoorsed testid (ASTM G5-14 viide) näitavad, et 2. klass, mis on sukeldatud 10% H2SO4 + 5% HCl-i 80 kraadi juures, saavutab stabiilse potentsiaali ligikaudu –200 mV vs. SCE, mis vastab katoodvoolutiheduse vähenemisele ligikaudu 5 mA/cm2. Selle kiirusega toodetud aatomvesinik difundeerub titaani vooluga umbes 10–8 mol/cm2.s ja tõstab vesiniku kogutaseme algselt 30 ppm-lt (veskil lõõmutatud olek) kriitilise tasemeni 150 ppm 400–600-tunnise pideva kokkupuute jooksul. Teisest küljest on 7. klassi titaanil 200–350 mV positiivsem potentsiaal (tavaliselt +50 kuni +150 mV vs. SCE) pallaadiumi katalüütilise toime tõttu katoodreaktsioonile. Selle potentsiaali korral lülitub peamine katoodne aktiivsus prootoni redutseerimiselt jääkhapniku vähendamisele ja vesiniku neeldumise kiirus väheneb kolme suurusjärgu võrra.

Pallaadiumi mõju passiivkile stabiilsusele
7. klassi täiustatud jõudlus (Ti-0,12–0,25% Pd) on seletatav väärismetalli võimega indutseerida redutseerivates keskkondades spontaanset passiivsust. Titaanmaatriksis hajutatud pallaadiumisaared on suurepärased katoodsaidid mis tahes oksüdeerivate liikide (lahustunud hapnik, raudioonid või isegi madalama ülepotentsiaaliga prootonid) redutseerimiseks. Selline galvaaniline sidestus suunab sulami kogu pinna passiivsesse piirkonda, kus pidev TiO2 kile eksisteerib isegi hapetes, mis korrodeeruvad aktiivselt või säilitavad aktiivse potentsiaali 2. astmel. Elektrokeemilise impedantsi spektroskoopia testid näitasid, et pärast 8. astme 30 min7 pinnal tekkis passiivse kile takistus üle 100 kΩ.cm2. , samas kui 2. klassi puhul oli kile poorne ja mittekaitsev, mille eritakistus oli alla 1 kΩ.cm2, mis tekkis samadel tingimustel.

The essential distinction emerges when trace oxidizing agents are absent. Grade 2 is attacked in 10% H2SO4 + 5% HCl (deaerated) at 80°C at a rate of 0.5 to 1.0 mm per year with a hydrogen uptake of >300 ppm pärast 1000 tundi. Hinne 7 näitab korrosioonikiirust alla 0,05 mm aastas ja vesiniku neeldumist alla 50 ppm samas õhuvabas atmosfääris isegi pärast 2000 tundi kestnud pidevat testimist. Seetõttu nimetame seda ohutusmarginaaliks. Seetõttu on alla keemistemperatuuri kombineeritud happekuumutitele määratud klass 7. 2. aste on piiratud lahjendatud kontsentratsiooniga (igaüks alla 3 %) või alla 50 °C.

Rikke tagajärjed ja andmed rikkeni kulunud aja kohta
2. astme küttetorude vesinik-indutseeritud pragunemine toimub tavaliselt pikisuunaliste pragudena piki toru seina, mis tekivad sageli sisepinnalt, kus vesiniku kontsentratsioon on maksimaalne, ja liiguvad väljapoole. Sellised tõrked on ootamatud ja katastroofilised töös,-soojendi, mis töötab 80 kraadi juures segahappepaagis, ei pruugi 800 tunni jooksul ilmneda ilmselgelt laguneda ja seejärel tekkida 48 tunni jooksul mitu läbi{6}}seinapragu. 2. klassi torude vesinikuanalüüs, mis eemaldati segahappeteenusest pärast riket, näitab järjekindlalt puistekontsentratsioone vahemikus 200–500 ppm, kusjuures pragude tekkekohtades on lokaliseeritud hüdriidikihid paksusega 50–100 mikromeetrit.

Kiirendatud kasutusiga testimine U{0}}paindeproovidega (ASTM G30) võib anda võrdlevaid andmeid. 2. astme U-paindudes, mis puutuvad kokku 15% H 2 SO 4 + 3% HCl-ga 80 kraadi juures, tekivad nähtavad praod 300–500 tunni pärast ja täielik murd 700 tunni pärast. Identsete 7. klassi proovide metallograafilised uuringud näitavad, et 3000 tunni pärast ei moodustu hüdriidifaasi ega pragunemist. Aeg, mis kulub sukeldatud küttetorude purunemiseni tootmisest või paigaldamisest tuleneva jääktõmbepinge all, on pöördvõrdeline vesiniku vooluga. 25 mm läbimõõduga 2. klassi toru paksusega 1,65 mm ja jääkpingetega 150 MPa keevitatud olekus purunes pärast umbes 1200 tundi segatud happega 80 kraadi juures, samas kui samade mõõtmetega 7. klassi toru toimis veel pärast 8000 tundi.

Valikujuhend Segatud happekütteseadmete kasutamine
Järgmine otsustusmaatriks muudab elektrokeemilise ja mehaanilise analüüsi praktilisteks spetsifikatsioonideks inseneridele, kes ostavad või projekteerivad kütteseadmeid segatud H 2 SO 4 -HCl teenuse jaoks.

Kasutuskeskkond Happelise koostise temperatuur Soovitatav sulam ja seina paksus Põhjendus ja peamised muudatused{0}}
Terase peitsimisliin (süsinikterasest katlakivi eemaldamine) 5–10% H 2 SO 4 + 1-2% HCl 75–85 kraadi 7. klass, 1,2–1,5 mm 2. klass: vajalik pallaadiumi stabiliseerimine. Kloriid soodustab vesiniku imendumist. 1.2 mm on piisav korrosioonivaru.
Alumiiniumist anodeeriv vann (segatud hape) 2–4% H2SO4 + 0.5-1% HCl 30–40 kraadi, 2. klass, 1,0–1,2 mm, 2. klassi ökonoomne monitor, vannikloriid, madal temperatuur, vähendatud vesiniku difusiooni kiirus, täiendamine iga 24 kuu järel
Titaani söövitusvann (PCB tootmine) 3-5% HCl + 1-2% HF (w/o H2SO4) 45-55 kraadi 7. aste, vähemalt 1,5 mm Fluoriidi olemasolu kiirendab rünnakut; Vajalik 7. klassi raske rööpmelaius; vältige 2. klassi vesiniku kiire omastamise tõttu täielikult.
Raudkloriidi regenereerimisreaktor 8% HCl + 2% H₂SO₄ + Fe³⁺ 85-90 kraadi, 7. klass, 1,65 mm pallaadiumisulam nõuab Fe3⁺ ioonide oksüdeerimist passiveerimiseks, kloriidide ja temperatuuri jaoks; kontrollige igal aastal hüdriidi olemasolu.
Jääkhapete kontsentreerimise süsteem 15-20% segatud happeid, suhe varieerub vahemikus 80-95 kraadi 7. klass, 2,0 mm või klass 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) Kõrge temperatuur ja kontsentratsioon nõuab suurimat korrosioonikindlust. 12. klass võib olla 7. klassile odavam alternatiiv.
Vesiniku reguleerimise täiendavad kaalutlused
Seina paksuse suurendamine üksi ei takista vesiniku{0}}indutseeritud pragunemist, küll aga suurendab difusioonikanalit ja neeldunud vesiniku lahjendamiseks saadaolevat mahtu. Segahappeteenuse puhul ei sõltu sulami valik seina paksusest. Klass 7 võimaldab ohutult kasutada õhemat seina (1,2 mm), samas kui isegi 2,5 mm 2. klassi toru võib tugeva vesinikuvoo tõttu lõpuks rabedaks muutuda. Keevisõmblused peavad samuti olema kvaliteetsed: 7. klassi keevisõmblused tuleb teha sobiva täitemetalliga (7. klassi sobiv täiteaine) ja saastumise vältimiseks{10}}puhastada tagasi argooniga. Keevitamise või kuumtöötlemise teel tekkiv alfa{12}}kattekiht on rabe ja vastuvõtlik vesinikule ning see tuleb eemaldada. Töökontrollid võivad muuta 2. astme potentsiaali passiivseks, näiteks hoida lahustunud hapniku taset üle 1 ppm (õhu pihustamise teel) või lisada oksüdeeriva ainena väikeses koguses raudsulfaati (Fe2(SO4)3). Kuid need meetodid ei ole järelevalveta kütteseadmete puhul usaldusväärsed.

SEGAHAPEKUJUTISE SPETSIFIKATSIOONIDE KOKKUVÕTE
Seega ei ole 7. klassi titaani kasutamine 2. klassi asemel mitte ainult soovitatav, vaid ka kohustuslik töökindlaks tööks segatud H₂SO₄-HCl lahustes temperatuuril 80 kraadi kauem kui 2000 tundi. Pallaadiumisisaldus mõjutab oluliselt elektrokeemilist käitumist. See säilitab passiivse oksiidkile, mis pärsib vesiniku eraldumist ja takistab vesiniku absorptsiooni, mis põhjustab rabedate hüdriidide moodustumist ja pragude levikut. Klass 2 on majanduslikult soovitav paljudes söövitavates olukordades, kuid kuumas segatud redutseerivates hapetes ei suuda see säilitada oma passiivset kihti ja neelab vesinikku kiirusega, mis tagab hapruse tavapäraste hooldusintervallide jooksul. Kõigi sukelkütteseadmete puhul, mille H2SO4 kombineeritud kontsentratsioon on üle 5% ja HCl kontsentratsioon on suurem kui 1% temperatuuril üle 60 kraadi, peaksid insenerid kasutama 7. klassi titaani. Piirtingimuste korral võib elektrokeemilise potentsiaali jälgimine (sihtides püsivat potentsiaali üle 0 mV vs. SCE) kontrollida, kas 2. aste võib ellu jääda. Kuid konservatiivne viis-ja see, mis väldib katastroofilisi kütteseadme rikkeid ja tootmisseisakuid{23}}, on valida 7. klass, mille seinapaksus vastab mehaanilisele koormusele ja soovitud kasutusajale.