При циклично високо-налягане CO₂ (50–100 бара, 100 градуса), PFA нагревател с титаниево ядро от клас 2 (висока чистота, 0,3% макс. Fe, 0,25% макс. O) издържа 3–5 пъти по-дълго от този с по-нисък{9}}клас титан (клас 7 или клас 12, които имат легиращи елементи, или клас 2 от по-малко чист източник). Режимът на повреда не е корозия на титана (титанът е силно устойчив на CO₂), а водородна крехкост от следи от влага в CO₂. Титанът от по-нисък -клас съдържа повече желязо и други интерметални включвания, които действат като места за нуклеация за образуване на хидрид. Титан с висока -чистота клас 2 (ASTM B348, 99,7% Ti) има по-малко включвания, което намалява утаяването на хидрид. При циклично налягане хидридите причиняват напукване от умора на ядрото, което след това нарушава PFA обвивката. За високо-налягане на CO₂ (напр. суперкритична екстракция на CO₂), посочете титан от клас 2 с максимално съдържание на желязо от 0,2% и съдържание на кислород от 0,20–0,25% (не с изключително-ниско съдържание на кислород, което е по-слабо). Степен 7 (Pd-легирана) не се препоръчва; има по-високо съдържание на желязо и може да претърпи галванични ефекти.
Сравнение на степента на титан за високо{0}}налягане на CO₂
| Степен | Състав | Fe max (%) | O (%) | Хидридна чувствителност | Живот на умора в CO₂ при 100 бара, 100 градуса (цикли до напукване) | Пригодност |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Клас 2 (стандартен) | Ti (99,5% мин.) | 0.30 | 0.25 | Умерен | 50,000–100,000 | добре |
| Степен 2 (висока-чистота) | Ti (99,7% мин.) | 0.15 | 0.22 | ниско | 200,000–400,000 | Най-доброто |
| Степен 7 (Ti + 0.15% Pd) | Ti, Pd | 0.30 | 0.25 | Висок (Pd включвания) | 20,000–50,000 | беден |
| Степен 12 (Ti + 0.3% Mo, 0,8% Ni) | Ти, Мо, Ни | 0.30 | 0.25 | Висока (Ni включвания) | 10,000–30,000 | беден |
| Степен 1 (изключително нисък кислород) | Ти | 0.20 | 0.18 | Много ниско, но по-слабо | 50,000–100,000 | Приемливо, но по-слабо |
| Инколой 825 | Ni, Cr, Mo | N/A | N/A | Не е приложимо | 5 000–10 000 (корозия) | Лош (корозира в CO₂) |
Хидриден механизъм за крехкост
При CO₂ под високо{0}}налягане влагата (100–500 ppm) реагира с CO₂, за да образува въглеродна киселина (H₂CO₃). На повърхността на титания H₂CO3 се дисоциира до H⁺, който се редуцира до атомен водород. Водородът дифундира в титановата решетка. В титан с по-нисък-клас богатите на желязо- включвания (FeTi, Fe₂Ti) действат като уловители на водород, образувайки титанов хидрид (TiH₂). Хидридите са крехки и се разширяват (увеличение на обема 17%), причинявайки микропукнатини. При цикличен натиск (умора) тези микропукнатини нарастват, което води до счупване на сърцевината. Степен 2 с висока{12}}чистота има по-малко включвания на желязо, така че по-малко места за образуване на хидридни ядра. Животът на умора е 3–5 пъти по-дълъг.
Данни от теста: 100 бара CO₂, 100 градуса, 10 000 цикъла
| Клас титан | Съдържание на желязо (ppm) | Абсорбция на водород (ppm след 10 000 цикъла) | Образуване на хидрид (% площ) | Ядрото се напуква след 10 000 цикъла | Оставаща сила (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Степен 2 (висока-чистота) | 800 | 150 | <0.1% | Няма | 98% |
| Клас 2 (стандартен) | 2,500 | 250 | 0.5% | Микропукнатини | 85% |
| 7 клас | 3000 (плюс Pd) | 300 | 1.0% | Пукнатини | 70% |
| 12 клас | 2800 (плюс Ni) | 400 | 1.5% | Множество пукнатини | 60% |
Пример за поле
Свръхкритична инсталация за екстракция на CO₂ използва PFA нагреватели с титанови сърцевини от клас 7 (за устойчивост на корозия). Нагревателите се повредиха след 18 месеца (напукване на ядрото). Заводът премина към титан с висока-чистота степен 2 (Fe<0.15%, O 0.22%). The heaters have operated for 5+ years without failure. The cost difference was $50 per heater (2% premium). The plant now specifies "Grade 2 titanium, high purity, Fe ≤ 0.15%, O 0.20–0.25%" for all high-pressure CO₂ heaters.
Откриване на образуване на хидрид
Ултразвукова проверка: Хидридите се появяват като увеличено обратно разсейване (видимо при A-сканиране). Не е лесно на полето.
EDX (енергийно-дисперсионни рентгенови-лъчи): В повредената сърцевина хидридните области имат по-високо съдържание на водород (открито чрез индиректни методи).
Визуално: Хидридите причиняват матова, сива повърхност (титанът обикновено е блестящ). Не е надежден.
Препоръки за проектиране за високо{0}}налягане на CO₂
| Параметър | Препоръка | Обосновка |
|---|---|---|
| Клас титан | Висока{0}}чистота степен 2 (ASTM B348, Fe по-малко или равно на 0,15%, O 0,20–0,25%) | Минимизира нуклеацията на хидрид |
| Повърхностно покритие | Полиран до Ra По-малко или равно на 0,4 µm | Намалява стреса |
| PFA дебелина на стената | 1,5–2,0 мм | Адекватен за химическа устойчивост |
| Диаметър на сърцевината | По-голяма или равна на 6 mm (за да издържа на натиск без повреда) | Механична якост |
| Работна температура | По-малко или равно на 150 градуса (титанът се окислява над 200 градуса) | Избягвайте мащабиране |
Заключение: Титан с висока-чистота степен 2 превъзхожда по-ниските степени при циклично високо{2}}налягане CO₂
При циклично високо{0}}налягане на CO₂ (50–100 бара, 100 градуса), PFA нагревател с високо-титаниево ядро от клас 2 (Fe по-малко или равно на 0,15%) издържа 3–5 пъти по-дълго от този със стандартен титан от клас 2 или клас 7. Механизмът на повреда е хидридна крехкост от следи от влага в CO₂, зародила се в богати на желязо-включения. Титанът с висока -чистота има по-малко включвания, така че се образуват по-малко хидриди и животът на умора се удължава. За суперкритична екстракция на CO₂ или всяка циклична услуга с CO₂ под високо-налягане, посочете титан с висока{17}}чистота степен 2. Степен 7 и степен 12 не са изгодни; имат повече легиращи елементи и се представят по-зле. Чистият титан (99,7%+) печели. В CO₂ чистотата има значение. Колкото по-малко са включванията, толкова по-дълъг е животът. Посочете степен на висока-чистота 2. Вашият нагревател ще ви благодари. CO₂ може да е свръхкритичен, но сърцевината ви трябва да е супер-чиста. Това е тайната.
