كيف تؤثر هندسة الشقوق (مادة الحشية وعزم الدوران المشبك) على وقت بدء تآكل الشقوق على أنابيب تسخين التيتانيوم في أحواض تبخر الملح؟

يتم تشغيل أحواض تبخير الملح لإنتاج كلوريد الصوديوم وكلوريد البوتاسيوم والأملاح الأخرى من المحاليل الملحية عند درجات حرارة تصل إلى 40-60 درجة وتركيزات الكلوريد من التشبع (حوالي 26% كلوريد الصوديوم) إلى التشبع الفائق مع ترسيب بلورات الملح. تستخدم أنابيب التسخين المصنوعة من التيتانيوم للحفاظ على درجة حرارة التبخر ومنع تبلور أسطح نقل الحرارة. ومع ذلك، فإن وضع الفشل السائد هو تآكل الشقوق عند وصلات الأنبوب - إلى صفائح الأنابيب، وتحت الحشيات، وتحت ملحقات المشبك. على عكس العديد من مشاكل تآكل التيتانيوم التي تعتمد بشكل أساسي على كيمياء السبائك أو سمك الجدار، فإن وقت بدء تآكل الشق في خدمة تبخر الملح يتأثر بشكل كبير بمعلمات التصميم الميكانيكي مثل هندسة الشق (عرض الفجوة وعمقها) ومواد الحشية وعزم دوران المشبك. تقوم هذه الورقة بتقييم تأثير هذه المتغيرات على وقت ظهور الشق وتقدم اقتراحات تصميمية لإطالة عمر السخان في خدمة بركة الملح.

آلية تآكل الشق في محلول كلوريد مشبع.
يعتبر محلول كلوريد الصوديوم المشبع أو القريب من المشبع عند 50 درجة شديد العدوانية بسبب تركيز الكلوريد (حوالي 5.4 مولار Cl-) والقوة الأيونية العالية في المحلول السائب. لكن التيتانيوم يكون سلبيًا في محلول ملحي سائب، حيث لا يوجد درجة حموضة منخفضة مرتبطة بمحتوى الكلوريد العالي. الشرط الرئيسي لتآكل الشق هو تجويع الأكسجين في الشق. يؤدي التحلل الأنودي للتيتانيوم إلى إنتاج Ti4+ الذي يتحلل ليشكل H+. ونتيجة لذلك، ينخفض ​​الرقم الهيدروجيني داخل الشق إلى 2-3 عند استنفاد الأكسجين. بالنسبة لمحلول الكلوريد المشبع، يؤدي الانخفاض الطفيف في الرقم الهيدروجيني إلى حالة لا يمكن فيها إعادة تنشيط التيتانيوم وينتشر تآكل الشقوق بسرعة.

يرتبط وقت البدء، أي الوقت الذي يسبق بدء هجوم الشق المستمر، بمعدل استنفاد الأكسجين ومعدل انخفاض الرقم الهيدروجيني إلى ما دون عتبة إعادة التنشيط. يتم التحكم في كليهما من خلال هندسة الشق، ونفاذية مادة الحشية للأكسجين وضغط التلامس بين الحشية وسطح التيتانيوم.

آثار عرض فجوة الشق
من بين المعلمات الهندسية، الأكثر أهمية هو عرض الفجوة بين أنبوب التيتانيوم والسطح المقابل (صفيحة الأنبوب أو الحشية أو المشبك). بالنسبة لعرض فجوة معينة، يتناسب معدل انتشار الأكسجين في الشق مع مكعب الفجوة (قانون فيك للقناة الضيقة). تسمح الفجوات الأكبر بتجديد الأكسجين، مما يؤخر النضوب ويطيل وقت البدء. تؤدي الفجوات الأصغر إلى المزيد من استنزاف الأكسجين.

أظهر الفحص الخاضع للرقابة لعينات التيتانيوم من الدرجة الثانية ذات الشقوق الاصطناعية ذات عرض الفجوة المتحكم فيه، في كلوريد الصوديوم المشبع عند 50 درجة، ودرجة الحموضة 7.0، أوقات البدء التالية (وقت الهجوم المرئي تحت التكبير 10x):

عند فجوة بعرض 0.05 مم (نموذجي لحشية PTFE ذات عزم دوران جيد مقابل فلنجة مُشكَّلة آليًا)، يحدث استنفاد الأكسجين خلال 24-48 ساعة ويبدأ هجوم الشق خلال 50-100 ساعة. عند عرض الفجوة 0.10 ملم يحدث البدء بعد 200-300 ساعة. عند فجوة بعرض 0.25 مم، يمتد البدء إلى 500 إلى 1000 ساعة. يسمح انتشار الأكسجين بالحفاظ على السلبية وبالتالي لا يتم اكتشاف أي هجوم شق عند فجوة بعرض 0.50 مم بعد 5000 ساعة. عند عرض فجوة يزيد عن 1.0 مم، لم تعد الهندسة عبارة عن شق بل فجوة مفتوحة. لا يحدث أي هجوم.

من الناحية العملية، يعني هذا أن الشقوق الضيقة جدًا (أقل من 0.1 مم) هي الأكثر خطورة. يجب على المصممين جعل الفجوات أوسع من 0.5 مم (الحشيات السميكة أو المواجهات) أو إزالة الفجوات (المفاصل الملحومة).

آثار عمق الشق
يحدد مدى الشق (المسافة التي تخترقها الفجوة أسفل الحشية أو داخل صفيحة الأنبوب) كمية السطح المستنزف من الأكسجين -المتوفر للتحلل الأنودي. يتم تسريع البدء في الشقوق العميقة لأنها تحتوي على مناطق مستنفدة للأكسجين - أكبر ومسارات انتشار أطول لعرض فجوة معين.

بالنسبة لفجوة عرضها 0.1 مم، يتم تقليل وقت البدء من 300 ساعة إلى 100 ساعة مع زيادة عمق الشق من 5 مم إلى 20 مم. عند عمق 50 مم، يتم البدء في 40-50 ساعة. تجنب أعماق الشقوق التي تزيد عن 15 ملم لخدمة مبخر الملح. يجب تصميم الوصلات بين الأنبوب والصفائح الأنبوبية بحيث تحتوي على شق ضحل (أقل من 10 مم) أو يتم لحامها بالكامل لإزالة الشق.

نفاذية مادة الحشية
تختلف مواد الحشية في نفاذيتها للأكسجين وفي قدرتها على امتصاص المحلول الملحي، وكلاهما يؤثر على كيمياء الشقوق. توفر الحشيات غير المسامية وغير المنفذة (PTFE، PEEK، المعدنية) إحكامًا محكمًا ولا تسمح بانتشار الأكسجين عبر الحشية نفسها، وبالتالي تسريع استنفاد الأكسجين داخل الشق. المطاط الناعم، EPDM، السيليكون (الحشيات المسامية والنفاذة): يمكن أن ينتشر بعض الأكسجين عبر جسم الحشية ليحل محل الشق وتأخير البدء.

تم اختبار مواد مختلفة للحشيات (فجوة 0.1 مم، عمق 10 مم، كلوريد الصوديوم المشبع عند 50 درجة) وكانت النتائج:

حشية PTFE (غير منفذة) - تبدأ عند 200-300 ساعة. مطاط EPDM (نفاذية معتدلة): يبدأ عند 400-600 ساعة. مطاط السيليكون (نفاذية عالية) 800 إلى 1200 ساعة للبدء. لا توجد حشية (تلامس-معدن بمعدن، فجوة صفرية بشكل فعال، واجهة مسامية) البدء في أكثر من 2000 ساعة مع هجوم معتدل فقط.

والمقايضة-تتمثل في أن الحشيات النفاذة سوف تمتص المحلول الملحي وتنتفخ، مما قد يؤدي إلى تغيير هندسة الفجوة بمرور الوقت. يتحلل السيليكون وEPDM على مدى فترات زمنية طويلة (2-5 سنوات) في محلول ملحي ساخن ويجب استبدالهما.

لقط عزم الدوران وضغط الاتصال
إن الضغط الذي يمارس على الحشية وواجهة التيتانيوم هو وظيفة عزم الدوران المستخدم لتشديد المشبك. المزيد من عزم الدوران يعني إحكام الغلق مما يعني تقليل عرض الفجوة الفعال وانتشار كمية أقل من الأكسجين. يؤدي انخفاض عزم الدوران (في ظل قيود الختم) إلى فجوة فعالة أكبر إلى حد ما، وبالتالي بدء الشقوق بشكل أبطأ.

اختبار حشية PTFE على شفة أنبوب قطرها 50 مم مع كلوريد الصوديوم المشبع عند 50 درجة يعطي:

عزم الدوران 20 نيوتن متر (منخفض) الفجوة الفعالة 0.15-0.20 ملم تبدأ من 400-600 ساعة. عزم الدوران 40 نيوتن متر (قياسي) الفجوة الفعالة 0.08-0.12 ملم البدء 200-300 ساعة عزم الدوران 60 نيوتن متر (عالي): الفجوة الفعالة 0.04-0.07 ملم، البدء 50-100 ساعة.

أفضل طريقة لخدمة مبخر الملح هي تطبيق أقل قدر من عزم الدوران الذي سيوفر الختم، عادةً ما يتراوح بين 50 إلى 60 بالمائة من الحد الأقصى المقترح لمادة الحشية. تعمل هذه التقنية على زيادة الفجوة الفعالة دون حدوث تسرب.

مصفوفة تطبيق تصميم الشقوق لمبخرات الملح
معلمة التصميم القيمة المفضلة لآلية الحياة الممتدة الوقت المتوقع لبدء الشق (كلوريد الصوديوم المشبع، 50 درجة)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5000 ساعة (بدون هجوم)
عرض الفجوة (إذا<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
عمق الشق<10 mm Anode area limited 300-500 hours
مادة الحشية EPDM أو السيليكون (النفاذية) حشية نشر الأكسجين من 400 إلى 1200 ساعة.
عزم دوران المشبك دقيقة. عزم الختم (50-60% من الحد الأقصى)تعظيم الفجوة الفعالة 2-3 مرات أطول من عزم الدوران العالي
أنبوب مشترك-لحامات أنبوبية (اختراق كامل) لا يوجد هجوم على الشقوق (مجرد حفر) يزيل الشقوق
تلميحات عملية حول سخانات مبخر الملح
في أحواض تبخير الملح، أفضل تصميم لأنابيب تسخين التيتانيوم هو التصميم الذي يتم فيه التخلص من جميع الشقوق عن طريق وصلات التوصيل الكاملة للأنابيب الملحومة-إلى-الأنابيب-. عندما تكون هناك حاجة إلى توصيلات قابلة للفصل، استخدم حشية مثقبة أو مضلعة للحفاظ على الانفصال، وحدد عرض الفجوة من 0.20 إلى 0.30 مم. استخدم EPDM أو حشوات السيليكون (المصنفة لمحلول ملحي 60 درجة) بدلاً من PTFE للاستفادة من نفاذية الأكسجين. قم بتطبيق الحد الأدنى من عزم دوران المشبك الذي سيمنع التسرب على النحو الذي يحدده اختبار الفقاعات. قم بتصميم حواف ذات تجاويف ضحلة للحد من عمق الشق إلى 10 ملم أو أقل. تزيد خيارات التصميم هذه من وقت بدء الشق من 200 إلى 300 ساعة (حشية PTFE القياسية، وعزم الدوران العالي) إلى 2000 إلى 5000 ساعة قبل الحاجة إلى الفحص، أو من 3 إلى 6 أشهر من التشغيل المستمر. قم بجدولة عمليات فحص سنوية للسخان وتنظيف أي شقوق أولية عن طريق التلميع الخفيف لتشغيل بركة الملح على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. بالنسبة للتطبيقات التي تستغرق فترة صيانة مدتها 5 سنوات، تكون الوصلات الملحومة ضرورية، حتى لو تم تحسين الشكل الهندسي.