При обслужване с гореща морска вода (60–90 градуса, 3–4% соленост), PFA нагревателите предпазват металната сърцевина от директна химическа атака. Въпреки това, микроскопични дефекти или пътища на проникване в крайна сметка позволяват на хлоридните йони да достигнат ядрото. След като хлоридът влезе в контакт с метала, корозионното напукване под напрежение (SCC) става доминиращият механизъм на повреда. Титаниево ядро от клас 2 издържа почти безкрайно на SCC, предизвикано от хлорид, докато ядро от Incoloy 825 се напуква в рамките на месеци до няколко години при напрежение на опън. Разликата произтича от стабилността на пасивния филм: титанът образува здрав слой TiO₂, който се -заздравява бързо в присъствието на кислород или вода. Incoloy образува филм от хромен оксид (Cr₂O3), който е уязвим към атака на хлоридни йони, което води до питинг и последващо образуване на пукнатини. За PFA нагреватели в среди с гореща морска вода или саламура, титаниевото ядро удължава експлоатационния живот с 5–10 пъти в сравнение с Incoloy.
Механизъм на хлорид-предизвикано напукване от напрежение върху Incoloy
Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) разчита на пасивен филм от хромен оксид за устойчивост на корозия. В гореща морска вода хлоридните йони се адсорбират върху повърхността на филма, като го разрушават локално. Откритият метал се разтваря, образувайки яма. На върха на ямата киселинната, богата-на хлориди среда предотвратява повторната-пасивация. Напрежението на опън (от топлинно разширение или остатъчно производствено напрежение) се концентрира в ямата, инициирайки пукнатина. След като се образува пукнатина, тя се разпространява трансгрануларно през Incoloy. За PFA нагревател с нарушена обвивка или проникнал хлорид, сърцевината от Incoloy обикновено се поврежда в рамките на 1000–5000 часа при 80 градуса, дори ако PFA изглежда непокътнат. Пукнатината води до загуба на електрическа непрекъснатост на сърцевината или заземяване на PFA, което води до повреда на нагревателя.
Титан клас 2 (търговски чист) образува TiO₂ филм, който е изключително стабилен в хлоридни среди. Филмът се променя почти мигновено, ако е повреден, при наличие на кислород или вода. Морската вода съдържа достатъчно разтворен кислород. Хлоридните йони не разрушават TiO₂ филма; те всъщност го стабилизират. Титанът е имунизиран срещу хлорид SCC при температури под 120 градуса. В гореща морска вода титаниевите сърцевини не показват SCC след 50,000+ часа излагане, дори когато са подложени на механично натоварване.
Сравнителна производителност в гореща морска вода (80 градуса, 3,5% NaCl, 50 MPa приложено напрежение върху сърцевината)
| Материал на металната сърцевина | Пасивен филм | Време до питинг (часове) | Време за започване на крак (часове) | Време до повреда (часове) | Доминиращ режим на отказ | Относителен живот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Инколой 825 (както-е получен) | Cr2O3 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | Трансгрануларен SCC | 1.0× |
| Инколой 825 (пасивен) | Cr2O3 | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| Титан клас 2 (закален) | TiO₂ | >50 000 (няма) | >50,000 | >50,000 | Няма (възможна пластична повреда) | >10× |
| Титан клас 7 (Pd-легиран) | TiO₂ | >50,000 | >50,000 | >50,000 | Няма | >10× |
| Неръждаема стомана 316L | Cr2O3 | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | Питинг + SCC | 0.3–0.5× |
Теренни доказателства от морски топлообменници
Крайбрежна електроцентрала използва PFA нагреватели със сърцевини от Incoloy 825 в топлообменник с{1}}охлаждане с морска вода (80 градуса). Нагревателите се повреждаха на всеки 12–18 месеца поради напукване на сърцевината. Анализът след-повредата показа проникване на хлорид през микроскопични кухини от PFA и последващ SCC на Incoloy. Заводът замени нагревателите с идентични обвивки от PFA, но ядра от титан клас 2. След 5 години непрекъсната работа не се появи повреда. Титаниевите ядра не показаха вдлъбнатини или пукнатини. Сега заводът специфицира титаниеви сърцевини за всички-изложени на морска вода PFA нагреватели.
Защо Incoloy все още е често срещан и кога е приемлив
Incoloy остава широко използван, тъй като е по-евтин (приблизително 50% от цената на титан) и работи адекватно в не-хлоридни среди или при по-ниски температури (<50°C). For freshwater or deionized water service, Incoloy cores can last 10+ years. For hot seawater, brine, or any chloride-rich environment above 60°C, Incoloy is a liability. The additional cost of titanium (typically $200–500 per heater) is recovered after one prevented failure event.
Препоръки за проектиране за хлоридно обслужване
| Околна среда | Концентрация на хлорид | температура | Препоръчителен основен материал | Обосновка |
|---|---|---|---|---|
| Сладка вода (дейонизирана) | <10 ppm | Всякакви | Incoloy (разход-ефективен) | Няма риск от SCC |
| Солена вода | 100–1000 ppm | <50°C | Incoloy | Приемливо |
| Солена вода | 100–1000 ppm | >60 градуса | Титан клас 2 | SCC риск над 60 градуса |
| Морска вода (отворен контур) | 30 000–40 000 ppm | Всякакви | Титан клас 2 | Задължително |
| Саламура (изпарител) | >100 000 ppm | >70 градуса | Титан клас 2 или клас 7 | Задължително |
| Гореща морска вода (топлообменник) | 35 000 ppm | 80 градуса | Титан клас 2 | Proven life >5 години |
Заключение: Титаниевото ядро елиминира хлоридното напукване в гореща морска вода
При обслужване с гореща морска вода (80 градуса, 3,5% NaCl), PFA нагревател с метална сърцевина от титаниева степен 2 показва 10 пъти по-дълъг живот от сърцевина от Incoloy 825, тъй като пасивният TiO₂ филм на титания е имунизиран срещу корозионно напукване, предизвикано от хлорид-. Филмът от хромов оксид на Incoloy се разпада на хлориди, което води до питинг, образуване на пукнатини и повреда в рамките на месеци до няколко години. За всеки PFA нагревател, работещ в богата на хлорид- среда над 60 градуса, посочете титаниево ядро. Първоначалната премия за разходите се възстановява чрез елиминиране на престой и разходи за подмяна. Инженерите, които избират материали за нагряване в морето, обезсоляване или саламура, трябва да дадат приоритет на титана. Incoloy принадлежи към прясна вода; титанът управлява морето.
