بالنسبة لأنبوب سخان التيتانيوم المستخدم للتسخين المسبق لمحلول هيدروكسيد الصوديوم بنسبة 40٪ عند 80 درجة، لماذا يُفضل التيتانيوم من الدرجة 7 على الدرجة 2 على الرغم من نفس سمك الجدار؟

المفاضلة الأساسية-في اختيار درجة التيتانيوم لخدمة المواد الكاوية
التيتانيوم ليس مقاومًا جدًا للتآكل في معظم المحاليل المائية فحسب، بل يتمتع أيضًا بمقاومة ممتازة للتآكل في المحاليل الكاوية الساخنة والمركزة مثل هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). يشكل التيتانيوم من الدرجة الثانية (النقي تجاريًا) طبقة واقية من ثاني أكسيد التيتانيوم في المحاليل المحايدة والحمضية، لكن طبقة الأكسيد تذوب لتوليد تيتانات الصوديوم القابلة للذوبان في مادة كاوية مركزة عند درجة حرارة عالية. وهذا يؤدي إلى ترقق مستمر والأهم من ذلك أن امتصاص الهيدروجين يؤدي إلى التقصف. يحتوي التيتانيوم (Ti-0.15% Pd) من الدرجة 7 على البلاديوم، وهو معدن ثمين، والذي يحول احتمالية التآكل إلى المنطقة السلبية حتى في البيئات المختزلة أو الكاوية. إن إدراج البلاديوم يمكّن الدرجة 7 من تكوين طبقة سلبية متينة في 40٪ NaOH عند 80 درجة بينما تتآكل الدرجة 2 بوتيرة غير مرغوب فيها. يقارن هذا التحليل بين الدرجتين بنفس سمك الجدار، ولماذا يتم اختيار الدرجة 7 على الرغم من أن تكلفة المادة أعلى.

"قضايا السلامة الميكانيكية - التآكل والتقصف الهيدروجيني في المواد الكاوية"
يتمتع التيتانيوم من الدرجة الثانية بمعدلات تآكل تبلغ 0.1-0.3 مم سنويًا في 40% NaOH عند 80 درجة، بناءً على اختبار الغمر وفقًا لمعيار ASTM G 31 . بالنسبة لسمك جدار نموذجي يبلغ 1.2 مم، يتوافق هذا مع وقت ثقب من 4 إلى 12 عامًا، وهو الأمر الذي يستحق العناء. لكن أخطر سيناريو الفشل هو التقصف الهيدروجيني. في المواد الكاوية، يولد تفاعل التآكل الهيدروجين الذري: Ti + 4OH⁻ → TiO₂ + 2H₂O + 4e⁻ (أنوديك) 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ (كاثودي) ينتشر الهيدروجين الذري في شبكة التيتانيوم ويشكل هشًا هيدريد التيتانيوم (TiH 2 ) عند حدود الحبوب. الدرجة الثانية، في 40% NaOH عند 80 درجة، معدل امتصاص الهيدروجين حوالي 50-100 جزء في المليون/الشهر. فوق 200-300 جزء في المليون من تركيز الهيدروجين، يصبح التيتانيوم هشًا ويتعرض للتشقق تحت الضغط الحراري أو المتبقي. يحدث فشل التقصف هذا قبل أن يصبح الجدار رقيقًا كثيرًا وفي كثير من الأحيان مع القليل من التآكل المرئي. في أجهزة التسخين المسبق للمواد الكاوية، تحدث أعطال ميدانية لأنابيب التيتانيوم من الدرجة الثانية على شكل تشققات عند اللحامات أو أنصاف أقطار الانحناء، خلال 12-18 شهرًا. ومع ذلك، فإن سمك الجدار قريب من الأصل.

يعمل التيتانيوم من الدرجة 7 الذي يحتوي على 0.12 إلى 0.25 بالمائة من البلاديوم بشكل مختلف. البلاديوم هو محفز كاثودي لإعادة تركيب الهيدروجين الذري إلى جزيء H2 الذي لا يدخل إلى شبكة التيتانيوم. تبلغ احتمالية التآكل للصف 7 في 40% NaOH عند 80 درجة تقريبًا +0.2 V مقابل SHE، مقارنة بـ -0.3 فولت للصف 2 - تحول 500 مللي فولت إلى النطاق السلبي. معدل التآكل للصف السابع أقل من 0.01 مم/عام ولا يمكن اكتشاف امتصاص الهيدروجين (<1 ppm/mo). A similar Grade 7 tube with a wall thickness of 1.2 mm has a service life of more than 10 years limited by mechanical considerations only, not by corrosion or embrittlement.

التأثير على الأداء الحراري: نفس انتقال الحرارة
الموصلية الحرارية للتيتانيوم من الدرجة 2 والدرجة 7 متشابهة جدًا (17 واط/م · كلفن عند 80 درجة) نظرًا لأن إضافة البلاديوم تبلغ 0.15% فقط. درجة حرارة السطح الخارجي ومعدل نقل الحرارة هي نفسها بالنسبة لنفس سمك الجدار وكثافة الطاقة. لذلك لا توجد تكلفة حرارية لاختيار الدرجة 7. الجانب السلبي الرئيسي هو الفرق في تكلفة المواد (الدرجة 7 أغلى بحوالي 50-70٪ من الدرجة 2).

مصفوفة اختيار درجة الخدمة الكاوية: تجميع عملية المقايضة-.
تركيز NaOH ودرجة الحرارة درجة الحياة 2 (جدار 1.2 مم) درجة الحياة 7 (جدار 1.2 مم) المنطق الهندسي الأساسي الموصى به
20% NaOH، 60 درجة > 10 سنوات > 15 سنة درجة 2 درجة 2 كافية؛ تم الانتهاء من تحديد الدرجة السابعة-.
30% هيدروكسيد الصوديوم، 70 درجة 3 - 5 سنوات (التقصف) 10 سنوات الصف 7 الصف 2 يفشل بسبب تكسير الهيدروجين قبل التثقيب بالتآكل.
40% NaOH, 80°C 1 to 2 years (embrittlement) >10 سنوات الصف السابع الصف الثاني غير مناسب. إضافة البلاديوم اللازمة.
50% NaOH، 90 درجة مئوية < 6 أشهر 5 – 8 سنوات الصف 7 حتى الصف 7 أدى إلى تقصير العمر؛ التحقيق في مواد أخرى.
40% NaOH، 80 درجة، مع الكلوريدات (الملوثة) < 6 أشهر 3 - 5 سنوات الدرجة 7 + CP كلوريدات تزيد من التنقر، قد يكون CP ضروريًا.
الهندسة خارج الصف: حالة السطح واللحام
لن يعمل التيتانيوم من الدرجة 7 إلا كما هو متوقع في الخدمة الكاوية إذا كان السطح خاليًا من التلوث بالحديد. تؤدي الخلايا الكلفانية المتكونة من جزيئات الحديد المدمجة إلى إتلاف الطبقة السلبية محليًا، وتؤدي إلى الحفر حتى في الدرجة 7. يتبع التصنيع تخليل 10% HNO₃ + 2% HF لمدة 5 دقائق لإزالة الحديد السطحي. يتبع اللحام من الدرجة 7 نفس الاحتياطات مثل الدرجة 2 (تدريع الأرجون، عدم التلوث) ويحافظ معدن اللحام على مقاومة التآكل المماثلة للمعدن الأساسي حيث يبقى البلاديوم في المحلول. التلدين بعد اللحام ليس ضروريًا لخدمة المواد الكاوية ولكن يمكن استخدامه لتخفيف الضغط.

الاستنتاج: مادة كاوية أكثر سمكًا تستدعي الصف السابع حتى عند نفس سمك الجدار
يُفضل التيتانيوم من الدرجة 7 بدرجة كبيرة على التيتانيوم من الدرجة 2 لأنبوب تسخين التيتانيوم الذي يسخن 40% من هيدروكسيد الصوديوم عند 80 درجة حتى عندما يتم تحديد كليهما بنفس سمك الجدار. تفشل الدرجة الثانية بسبب تقصف الهيدروجين بعد سنة واحدة-}2 سنة بسبب امتصاص الهيدروجين من تفاعل التآكل الكاوي. يظل الصف السابع سلبيًا ويقاوم امتصاص الهيدروجين لأكثر من 10 سنوات. يؤدي وجود البلاديوم بنسبة 0.15% إلى تغيير احتمالية التآكل في المنطقة السلبية، ويقلل معدل التآكل بعامل 30 ويمنع امتصاص الهيدروجين. بالنسبة للأداء الحراري لا يوجد فرق بين الفئتين. يتم تبرير زيادة تكلفة المواد للصف 7 من خلال عمر الخدمة الأطول بشكل ملحوظ. للحصول على خدمة كاوية مركزة، استخدم سخانات التيتانيوم من الدرجة 7 مع تركيز البلاديوم الموثق (0.12 إلى 0.25%) والتخليل بعد التصنيع لإنشاء سطح نظيف وسلبي. بالنسبة لهذا التطبيق، يجب رفض الدرجة الثانية بغض النظر عن سمك الجدار.