بالنسبة لأنبوب تسخين من التيتانيوم يعمل في جهاز تعقيم -عالي الضغط يحتوي على 5% من حمض الأسيتيك و200 جزء في المليون من الكلوريد عند درجة حرارة 250 درجة، ما سمك الجدار المطلوب لمقاومة تآكل الشقوق تحت حشية التيفلون؟

المقايضة الحاسمة-في تصميم سخانات التيتانيوم للأوتوكلاف-عالي الحرارة
يعتبر 200 جزء في المليون من الكلوريد و5% من حمض الأسيتيك عند درجة حرارة 250 درجة في الأوتوكلاف عالي الضغط بيئة قاسية للتيتانيوم. عادةً ما يكون التيتانيوم مقاومًا لحمض الأسيتيك، إلا أن الجمع بين درجات الحرارة المرتفعة والكلوريدات وحشية التيفلون (PTFE) يشكل خطرًا كبيرًا على تآكل الشقوق. تعمل حشية PTFE التي تغلق اختراق السخان من خلال رأس الأوتوكلاف على إنشاء فجوة محكمة في واجهة الحشية بغلاف التيتانيوم-. في هذا الشق، يتم فقدان الأكسجين، وتتركز الكلوريدات وينخفض ​​​​الرقم الهيدروجيني محليا بسبب التحلل المائي لكلوريد التيتانيوم. درجة حرارة الشق الحرجة (CCT) للتيتانيوم من الدرجة الثانية في محاليل الكلوريد هي عادة 70-80 درجة. عند 250 درجة، يكون التيتانيوم أعلى بكثير من CCT، وسيبدأ تآكل الشق بسرعة ما لم يتم تغيير هندسة الشق أو سبائك التيتانيوم. لا يتم منع البدء بحلول الوقت الذي يبدأ فيه التثقيب بعد أن يبدأ تآكل الشق كوظيفة لسمك الجدار. يقوم هذا البحث بتقدير سمك الجدار المطلوب لعمر خدمة مقبول في ظل حالات الشقوق الحتمية.

حركية تآكل الشقوق عند 250 درجة: الآثار المترتبة على السلامة الميكانيكية
الطلاء السلبي على التيتانيوم من الدرجة 2 غير مستقر من الناحية الديناميكية الحرارية في وجود الكلوريدات عند 250 درجة، حتى في حالة عدم وجود شق. معدل التآكل الموحد في 5% حمض الأسيتيك مع 200 جزء في المليون Cl- عند 250 درجة حوالي 0.1-0.2 مم/سنة. ومع ذلك، فإن سرعة تآكل الشقوق أعلى بمقدار 10-50 مرة تحت حشية PTFE. تشير الاختبارات الكهروكيميائية في ظروف الأوتوكلاف المحاكاة إلى معدلات نمو الشق تبلغ 2-5 مم/سنة. بالنسبة لجدار يبلغ سمكه 1.0 ملم، يتوقع حدوث ثقب خلال 2.5-6 أشهر. 2.0 ملم جدار: ثقب خلال 5-12 شهرًا. جدار ثقب 3.0 ملم 7-18 شهرا. يرجع الانتشار الكبير إلى عدم التجانس في ضغط الحشية والتشطيب السطحي وتركيز الأكسجين. الأهم من ذلك، أن الاتصال خطي بشكل أساسي: مضاعفة سمك الجدار يضاعف وقت التثقيب. على عكس التآكل الخامل، حيث يمكن أن تنمو فوائد الجدران السميكة بشكل كبير، يُظهر تآكل الشقوق عند 250 درجة حركية خطية بسبب عدم القدرة على تشكيل طبقة سلبية مستقرة لوقف الهجوم.

يحدث الفشل عند واجهة غلاف الحشية، عادةً على بعد 5-10 مم من حافة الحشية. بعد البدء، يتطور أخدود التآكل بسرعة. يفشل السخان بسبب التسرب عند الاختراق وليس بسبب ثقب الجزء المغمور. يُظهر فحص ما بعد الفشل- وجود أخدود حاد في حافة السكين- أسفل الحشية.

التأثير على الأداء الحراري: التدرج الحراري وتدهور الحشية
التدرج الحراري عبر جدار التيتانيوم في موقع الحشية صغير، حيث أن الحشية تقع بشكل عام في الطرف البارد للسخان (فوق المنطقة الساخنة). ومع ذلك، فإن الحرارة المنقولة إلى أعلى الغلاف تزيد من درجة حرارة الحشية. بالنسبة للأوتوكلاف عند 250 درجة، قد تكون درجة حرارة منطقة الحشية 150-200 درجة اعتمادًا على سمك الجدار وطول الجزء غير المسخن. ينكسر PTFE إلى ما هو أبعد من 260 درجة، ولكن حوالي 200 درجة يلين ويزحف، مما يزيد من الضغط على الحشية ويقلل فجوة الشق. الشق الضحل (< 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.

المقايضة-التوليف: سمك الجدار لمدة سنة واحدة من عمر الخدمة
سمك الجدار (مم) معدل تآكل الشق المتوقع (مم/سنة عند 250 درجة) الوقت اللازم للثقب (أشهر) درجة حرارة الحشية (درجة) موصى به لمدة سنة واحدة؟
1.0 ملم 3.5 ملم/سنة (نموذجي) 3.5 أشهر 180 درجة لا
1.5 ملم 3.5 ملم / سنة 5 أشهر 185 درجة العدد
2.0 مم 3.5 مم/سنة 7 أشهر 190 درجة لا (فواصل قبل 12 شهرًا)
2.5 ملم 3.5 ملم/ سنة 8.5 أشهر 195 درجة رقم
3.0 ملم 3.5 ملم/سنة 10 أشهر 200 درجة هامشية (قد لا تصل إلى 12 شهرًا)
4.0 ملم 3.5 ملم/سنة 13.5 شهرًا 210 درجة نعم (خطر تلف مادة PTFE)
تشير البيانات إلى أنه حتى الجدار الذي يبلغ سمكه 4.0 مم لن يستمر لأكثر من 13.5 شهرًا بمعدل تآكل شق يبلغ 3.5 مم/سنة، كما أن درجة حرارة الحشية (210 درجة) تتجاوز الحد الأقصى الموصى به لـ PTFE (200 درجة متواصلة). لا يمكن الاعتماد على سُمك الجدار وحده لتوفير عمر خدمة مدته عام واحد لظروف الشقوق القاسية.

هندسة ما وراء الجدار: إزالة الشقوق وترقية السبائك
نظرًا لأن سمك الجدار يعمل بشكل خطي فقط على تحسين عمر تآكل الشقوق، فيجب التركيز الهندسي على منع تطور الشقوق أو ترقية سبائك التيتانيوم. أولاً، يتم استبدال حشية PTFE بوصلة شفة من التيتانيوم -إلى- ملحومة لإزالة الشق. يقوم الختم الملحوم (على سبيل المثال، أنبوب من التيتانيوم ملحوم برأس الأوتوكلاف) بإزالة واجهة الغلاف الحشية- التي تمثل موقع التآكل. ثانيًا، ترتفع درجة حرارة الشق الحرجة إلى 150 درجة تقريبًا عند ترقية التيتانيوم من الدرجة 2 إلى الدرجة 7 (Ti-0.15% Pd). عند 250 درجة، لا يزال الصف 7 يتآكل، ولكن عند 0.5-1.0 مم سنويًا، أو 3-7 مرات أبطأ من الدرجة 2. عمر الخدمة لأنبوب الدرجة 7 بسمك جدار يبلغ 2.0 مم هو 2-4 سنوات. ثالثًا، تم تطبيق غلاف الانكماش الحراري PTFE على غمد التيتانيوم في منطقة الحشية. يعمل الغلاف كحاجز بين التيتانيوم والحشية لتجنب الاتصال المباشر بالشقوق المعدنية.

الخلاصة: سمك الجدار غير كاف في حد ذاته – يلزم إزالة الشقوق
بالنسبة لأنبوب تسخين التيتانيوم في جهاز تعقيم -عالي الضغط يحتوي على 5% حمض أسيتيك و200 جزء في المليون من الكلوريد عند درجة حرارة 250 درجة، فإن سمك الجدار اللازم لمقاومة تآكل الشقوق تحت حشية PTFE يكون ضخمًا بشكل غير معقول (4.0 مم أو أكثر) ويعطي عمر خدمة أقل من 18 شهرًا. تكون درجة حرارة تآكل الشقوق خطية (2-5 مم سنويًا) وبالتالي فإن الجدار الأكثر سمكًا يعني عمرًا أطول بالمقابل. العلاج المقترح هو لحام غمد التيتانيوم مباشرة على حلقة أو شفة من التيتانيوم لإزالة الشق أو استخدام التيتانيوم من الدرجة 7 مع حاجز الأكمام PTFE. إذا كانت هناك حاجة إلى اختراق الحشية، فحدد تيتانيوم درجة 7 بسماكة جدار لا تقل عن 2.5 مم، وغطاء قابل للانكماش بالحرارة من مادة PTFE فوق منطقة الحشية، وفترة فحص مدتها 6 أشهر لحفر الشقوق. امنح الشركة المصنعة درجة حرارة تشغيل الأوتوكلاف وتركيز الكلوريد وعمر الخدمة المقدر لتحديد أفضل مزيج من السبائك وسمك الجدار وطريقة الختم. في هذه البيئة القاسية، لن يكون سمك الجدار كافيًا.