Miks pakub paks (2,0 mm) titaansein paremat kaitset peroksiidi-hapra murdumise eest kui õhuke (1,0 mm) sein?

Näiteks pleegitamise, keemilise sünteesi või reoveepuhastusprotsessi käigus peab protsessiinsener, kes kasutab vesinikperoksiidi (H2O2) sisaldavas lahuses titaanist sukelsoojendit, hindama peroksiidist põhjustatud rabedate murdude ohtu kui olulist konstruktsioonitegurit. Titaanpindadel laguneb vesinikperoksiid, saades aatomhapniku ja teatud tingimustel aatomi vesiniku. Vesinik difundeerub titaanvõresse ja moodustab rabeda titaanhüdriidi (TiHx). Paksem sein (2,0 mm) pakub paremat kaitset hüdriidi-indutseeritud rabedate murdude eest kui õhuke sein (1,0 mm) kahe mehhanismi kaudu: pikem difusioonikaugus vesiniku kriitilise kontsentratsiooni saavutamiseks ja suurem järelejäänud seina paksus pärast pinnahüdriidi tootmist. Kvantitatiivsed uuringud näitavad, et 2,0 mm sein talub 4–8 korda suuremat vesiniku neeldumist enne hapra murdumise tekkimist võrreldes 1,0 mm seinaga, mis pikendab peroksiidi kasutusiga 3–6 korda.

Peroksiidi{0}}indutseeritud vesiniku neeldumise mehhanism titaanis
Titanium surfaces catalyze the exothermic decomposition of hydrogen peroxide . 2H2O2 ->2H2O + O2. See lagunemine loob väga oksüdeeriva keskkonna, mis tavaliselt stabiliseerib TiO2 passiivset kilet. Kuid lokaalsetes piirkondades, kus peroksiidi kontsentratsioon on kõrge või temperatuur üle 60 kraadi, toimub sekundaarne reaktsioon: H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O (katoodiline redutseerimine), mis võib anda vaheühendina aatomi vesiniku. Aatomi vesinik neeldub titaanvõre, mitte ei rekombineerub gaasina H2. Titaani sisse sattudes hajub vesinik tõmbepinge piirkondadesse (tavaliselt välispinnale temperatuuritsükli ajal). Titaanhüdriidi (TiH2) sadestumine toimub siis, kui kohalik vesiniku kontsentratsioon ületab umbes 150 massiprotsenti (150 ppmw). Hüdriidtrombotsüüdid on rabedad ja suurendavad mahtu umbes 17%, tekitades sisemisi pingeid, mis tekitavad pragusid. Luumurd on kiire ja raske, vähese hoiatusega.

Seina paksuse mõju kvantifitseerimine hüdriidi purunemiskindlusele
Seina paksus (mm) Kriitilise H kontsentratsiooni (150 ppmw) saavutamiseks kuluv aeg pinnal (kuud) Keskseina kriitiline H kontsentratsioon (ppm w), kui pind jõuab 150 ppmw-ni. Seinahüdriidi pragunemise aeg (kuudes) Suhteline eluiga 1.0 3 120 4-5 1.0x 1.2 4 100 6-7 1.5xx {{{} 2.5 12 40 22-30 6.0x
2,0 mm sein annab sama peroksiidtöötlusega peaaegu 4 korda pikema eluea kui 1,0 mm seina. Paksemas seinas kulub vesinikul kriitilise kontsentratsiooni saavutamiseks keskseina difundeerumine kauem aega ja kui hüdriidi moodustumine algab, on paksemal seinal ka suurem struktuurne stabiilsus.

Stsenaariumipõhine juhend peroksiidi hooldusseina paksuse valimiseks
Temperatuur ja peroksiidi kontsentratsioon H2O2 lagunemiskiirus Soovitatav seinapaksus Eeldatav eluiga rikkerežiim
1–5% H₂O₂, 40 kraadi (pleegitamine, madal oht)1,5 mm < 5-8 aastat Ühtlane korrosioon (mittehüdriid)
5–15% H₂O₂, 50 kraadi (mõõdukas risk) Keskmine 1,5–2,0 mm 3–5 aastat Hüdriid keevistsoonides kõigepealt 15–30% H₂O₂, 60 kraadi (kõrge risk) Kõrge 2,0–2,5 mm 1,5–3 aastat, 3% hüdriid4 mõranemine}} c{014 H₂O₂, > 60 kraadi Väga kõrge Ei soovita<1 yearUse Tantalum Equipment or PTFE Lined
Vahelduv kokkupuude (partiiprotseduur) Madalam kumulatiivne 1,5 mm 2-4 aastat Aktsepteeritav Hüdriidsünergiline + termiline tsükkel
H2O2 (kõrge puhtusastmega, fosfaadiga stabiliseeritud) Stabilisaatorlõige 1,5 mm 4-6 aastat Stabilisaatorid vähendavad lagunemist ja vesiniku imendumist
Peroksiid + kloriid (halvimal juhul] Sünergiline Minimaalne 2,5 mm 1-2 aastat Kombineeritud kloriidi täppide eemaldamine + hüdriidkrakkimine
Peroksiiditeenuse tehnilised leevendusmeetmed
Paksu{0}}seinaga titaaniga peroksiiditeenuse puhul pikendavad mitmed lisatoimingud eluiga veelgi. Parim viis on titaani pinna jahutamine. Vesiniku neeldumise kiirust vähendatakse umbes 40–50 protsenti iga 10-kraadise kesta temperatuuri languse korral. 70 kraadi asemel 50 kraadiga jooksmine pikendab eluiga 3-4 korda. Teine võimalus on lisada lahusele peroksiidstabilisaatoreid (naatriumstannaat, naatriumpürofosfaat või fosfoonhapped). Stabilisaatorid takistavad H2O2 katalüütilist lagunemist titaani pinnal, vähendades hapniku eraldumist ja vesiniku imendumist. Stabiliseeritud peroksiidilahuste vesiniku omastamise kiirus on 70–90% madalam kui stabiliseerimata lahustest. Kolmas meede on titaanküttekeha perioodiline lõõmutamine. Soojendit kuumutatakse vaakumis 400 kraadini 4 tundi. See juhib imendunud vesiniku välja ja elastsus taastub. Seda meetodit saate teha kord aastas ja vesiniku kontsentratsiooni nullilähedaseks nullida.

Järeldus: 2,0 mm sein annab peroksiiditeenuses 4x eluea v. 1.0 mm
Paksem (2,0 mm) titaansein pakub paremat kaitset peroksiidi -indutseeritud rabeda purunemise eest võrreldes õhema (1,0 mm) seinaga, kuna vesinikul kulub tunduvalt kauem aega, et difundeeruda läbi paksema osa ja saavutada keskseina kriitiline kontsentratsioon. 1,0 mm sein praguneb 4-5 kuuga pärast hüdriidi rabedumist 10-15% H2O2-s 60 kraadi juures, samas kui 2,0 mm sein peab vastu 15-20 kuud – eluiga pikendatakse 4 korda. Titaani ei soovitata kasutada suuremate peroksiidikontsentratsioonide (üle 30%) ja temperatuuride (üle 70 kraadi) korral, sõltumata seina paksusest. Mis tahes peroksiidi sisaldava teenuse jaoks titaansoojendi määramisel tuleks tarnijale esitada peroksiidi kontsentratsioon, temperatuur, stabilisaatorite olemasolu ja eeldatav töötundide arv päevas, et hõlbustada sobiva seinapaksuse valimist, mis tasakaalustab kulusid ja hüdriidi eeldatavat purunemisaega.