Titāna apkures caurulei, kas darbojas augsta spiediena{0}}autoklāvā ar 5% etiķskābi un 200 ppm hlorīda 250 grādu temperatūrā, kāds sienas biezums ir nepieciešams, lai izturētu spraugas koroziju zem teflona blīves?

Būtiski kompromisi{0}}titāna sildītāju projektēšanā augstas temperatūras{1}}autoklāviem
200 ppm hlorīds un 5% etiķskābe 250 grādu temperatūrā augstspiediena autoklāvos ir skarba vide titānam. Titāns parasti ir izturīgs pret etiķskābi, tomēr augstas temperatūras, hlorīdu un teflona (PTFE) blīves kombinācija rada lielu spraugas koroziju. PTFE blīve, kas noslēdz sildītāja iespiešanos caur autoklāva galvu, rada ciešu spraugu titāna apvalka{5}}blīves saskarnē. Šajā plaisā tiek zaudēts skābeklis, koncentrēti hlorīdi un lokāli pazeminās pH titāna hlorīda hidrolīzes dēļ. 2. pakāpes titāna kritiskā spraugas temperatūra (CCT) hlorīda šķīdumos parasti ir 70–80 grādi. Pie 250 grādiem titāns ir daudz virs tā CCT, un spraugas korozija sāksies ātri, ja vien netiks mainīta spraugas ģeometrija vai netiks leģēts titāns. Laiks līdz perforācijai pēc spraugas korozijas sākšanās nav novērsts, un tas ir atkarīgs no sienas biezuma. Šis pētījums nosaka nepieciešamo sienu biezumu pieļaujamam kalpošanas laikam neizbēgamās spraugas situācijās.

Plaisas korozijas kinētika 250 grādu leņķī: ietekme uz mehānisko integritāti
Pasīvais pārklājums uz 2. pakāpes titāna ir termodinamiski nestabils hlorīdu klātbūtnē 250 grādu temperatūrā pat tad, ja nav plaisu. Vienmērīgs korozijas ātrums 5% etiķskābē ar 200 ppm Cl- pie 250 grādiem ir aptuveni 0,1-0,2 mm/gadā. Tomēr spraugas korozijas ātrums ir 10-50 reizes lielāks zem PTFE blīves. Elektroķīmiskie testi simulētos autoklāva apstākļos liecina par plaisu augšanas ātrumu 2–5 mm/gadā. 1,0 mm sienai tas paredz perforāciju 2,5–6 mēnešos. 2.0 mm siena: perforācija 5–12 mēnešos. Perforācijas siena 3,0 mm 7-18 mēn. Lielā izplatība ir saistīta ar blīves saspiešanas, virsmas apdares un skābekļa koncentrācijas neviendabīgumu. Svarīgi ir tas, ka savienojums būtībā ir lineārs: sienas biezuma dubultošanās dubulto perforācijas laiku. Atšķirībā no pasivētās korozijas, kur biezāku sienu priekšrocības var pieaugt eksponenciāli, spraugas korozijai 250 grādu leņķī ir lineāra kinētika, jo nespēj izveidot stabilu pasīvu pārklājumu, lai apturētu uzbrukumu.

Kļūme rodas starplikas{0}}apvalka saskarnē, parasti 5–10 mm attālumā no blīves malas. Pēc ierosināšanas korozijas rieva ātri attīstās. Sildītājs sabojājas noplūdes dēļ iespiešanās vietā, nevis iegremdētās daļas perforācijas dēļ. Pēc-neveiksmes pārbaudes zem blīves ir redzama asa naža-malas rieva.

Ietekme uz termisko veiktspēju: temperatūras gradients un blīves degradācija
Termiskais gradients pāri titāna sienai blīvējuma vietā ir mazs, jo blīve parasti atrodas sildītāja aukstajā galā (virs apsildāmās zonas). Tomēr siltums, kas pārnests pa apvalku, palielina blīves temperatūru. Autoklāvā 250 grādu temperatūrā starplikas zonas temperatūra var būt 150–200 grādi atkarībā no sienas biezuma un neapsildāmās daļas garuma. PTFE sadalās virs 260 grādiem, bet ap 200 grādiem tas mīkstina un ložņā, kas palielina blīves saspiešanu un samazina spraugas spraugu. Sekla plaisa (< 0.05 mm) increases the crevice corrosion because the diffusion of the oxygen is totally prevented. Thicker wall is more conductive for heat transfer to the gasket (lower thermal resistance per unit length). This may result in a 10-20°C increase in gasket temp for a 2.0 mm wall over a 1.0 mm wall. The increase in temperature brings an increase in PTFE creep and crevice corrosion kinetics which partly offsets the benefit of the increased wall thickness.

Izmaiņas{0}}sintēze: sienas biezums par 1 gadu kalpošanas laiku
Sienas biezums (mm) Paredzamais spraugas korozijas ātrums (mm/gadā pie 250 grādiem) Laiks līdz perforācijai (mēneši) Blīves temperatūra (grāds) Ieteicams 1 gadu kalpošanai?
1,0 mm 3,5 mm/gadā (parasti) 3,5 mēneši 180 grādi Nē
1,5 mm 3,5 mm/gadā 5 mēneši 185 grāds Nr
2,0 mm 3,5 mm/gadā 7 mēneši 190 grādi Nr (pārtraukumi pirms 12 mēnešiem)
2,5 mm 3,5 mm/gadā 8,5 mēneši 195 grāds Nr
3,0 mm 3,5 mm/gadā 10 mēneši 200 grādu robeža (var nesasniegt 12 mēnešus)
4,0 mm 3,5 mm/gadā 13,5 mēneši 210 grādi Jā (PTFE bojājuma risks)
Dati liecina, ka pat 4,0 mm siena neizturēs ilgāk par 13,5 mēnešiem, ja spraugas korozijas ātrums ir 3,5 mm/gadā, un blīves temperatūra (210 grādi) pārsniedz maksimālo ieteicamo PTFE (200 grādu nepārtrauktība). Nevarētu paļauties uz sienas biezumu vien, lai nodrošinātu 1 gadu kalpošanas laiku agresīvos spraugas apstākļos.

Inženierzinātnes ārpus sienas: plaisu novēršana un sakausējuma jaunināšana
Tā kā sienas biezums tikai lineāri uzlabo plaisu korozijas kalpošanas laiku, inženiertehniskais uzsvars ir jāliek uz plaisu veidošanās novēršanu vai titāna sakausējuma uzlabošanu. Pirmkārt, PTFE blīve tiek aizstāta ar metinātu titāna-uz-atloku savienojumu, novēršot plaisu. Metināts blīvējums (piem., autoklāva galvai piemetināta titāna caurule) noņem starplikas{6}}apvalka saskarni, kas ir korozijas vieta. Otrkārt, kritiskās spraugas temperatūra paaugstinās līdz ~150 grādiem, kad titāns tiek paaugstināts no 2. pakāpes uz 7. pakāpi (Ti-0,15% Pd). Pie 250 grādiem 7. pakāpe joprojām korodē, bet 0,5-1,0 mm gadā jeb 3-7 reizes lēnāk nekā 2. pakāpe. 7. pakāpes caurules ar sieniņu biezumu 2,0 mm kalpošanas laiks ir 2-4 gadi. Treškārt, titāna apvalkam starplikas apgabalā tika uzklāta PTFE termiski saraušanās uzmava. Uzmava kalpo kā barjera starp titānu un blīvi, lai izvairītos no tieša kontakta ar metāla spraugām.

Secinājums: Sienas biezums pats par sevi nav pietiekams – nepieciešama plaisu likvidēšana
Titāna sildīšanas caurulei augstspiediena{0}}autoklāvā ar 5% etiķskābi un 200 ppm hlorīda 250 grādu temperatūrā sienas biezums, kas nepieciešams, lai izturētu spraugas koroziju zem PTFE blīves, ir nepamatoti milzīgs (4,0 mm vai vairāk), un tā kalpošanas laiks ir mazāks par 18 mēnešiem. Šī spraugas korozijas temperatūra ir lineāra (2-5 mm gadā), tāpēc biezāka siena nozīmē attiecīgi ilgāku kalpošanas laiku. Ierosinātais risinājums ir metināt titāna apvalku tieši uz titāna uzgaļa vai atloka, lai noņemtu plaisu, vai izmantot 7. pakāpes titānu ar PTFE uzmavas barjeru. Ja ir nepieciešama caurlaide ar blīvi, norādiet 7. klases titānu ar minimālo sieniņu biezumu 2,5 mm, PTFE termosarukuma uzmavu virs blīves zonas un 6 mēnešu pārbaudes intervālu spraugas rievošanai. Norādiet ražotājam autoklāva darba temperatūru, hlorīda koncentrāciju un paredzamo kalpošanas laiku, lai noteiktu labāko sakausējuma, sienu biezuma un blīvēšanas metodes kombināciju. Šajā smagajā vidē sienas biezums nebūs pietiekams.