Merevett ja kloriidi{0}}sisaldavad protsessivood on kurikuulsad, kuna põhjustavad roostevabast terasest soojusvahetites punkt- ja pragukorrosiooni. Titaanist on saanud nende teenuste standardne metallmaterjal tänu oma täielikule vastupidavusele kloriidirünnakule kuni mõõduka temperatuurini. Mere- ja rannikurakendustes, aga ka kloriididega seotud keemilistes protsessidestitaansoojusvaheti merevesikloriidi teenuskombinatsioon pakub võrreldamatut töökindlust ja pikka kasutusiga.
Korrosiooniprobleem: kloriidid ja roostevaba teras
Austeniitsed roostevabad terased (304, 316) toetuvad korrosioonikindluse tagamiseks passiivsele kroomoksiidkilele. Kloriidiioonid võivad aga selle kile lokaalselt purustada, põhjustades punktkorrosiooni-väikesi sügavaid õõnsusi, mis tungivad kiiresti läbi. Pragudes (tihendite, setete või torude - ja -torude lehtede ühenduste all) kiirendavad kloriidi kontsentratsioon ja hapniku vähenemine pragude korrosiooni. Isegi suure jõudlusega -sulamid, nagu superdupleksroostevaba teras või niklisulamid (Hastelloy, Inconel), võivad teatud tingimustel, eriti kõrgetel temperatuuridel, kannatada kloriid-indutseeritud pingekorrosioonipragunemise (SCC) all.
Merevesi oma ligikaudu 19 000 ppm kloriidisisaldusega on eriti agressiivne. Rannikuelektrijaamades, magestamisrajatistes, avamereplatvormidel ja merejahutussüsteemides kasutatavate soojusvahetite jaoks on oluline materjal, mis on kloriidide rünnaku suhtes immuunne.
Titaani korrosioonimehhanism: stabiilne oksiidikiht
Titaani erakordne korrosioonikindlus tuleneb vastupidavast, looduslikult moodustuvast oksiidkilest (peamiselt TiO₂). See kile on oksüdeerivates keskkondades termodünaamiliselt stabiilne ja, mis on ülioluline, on kloriidioonide suhtes mitteläbilaskev. Erinevalt roostevaba terase kroomoksiidkilest ei lagune titaanoksiid kloriidide juuresolekul. See on ka iseparanev-: kui kile on mehaaniliselt kahjustatud, muutub kile hapniku või vee juuresolekul silmapilkseks.
Tulemuseks on täielik vastupidavus merevees ja enamikus kloriidi{0}}sisaldavates lahustes kuni temperatuuripiiranguteni kloriidi täppide, pragude korrosiooni ja pingekorrosiooni pragude suhtes. See jõudlus laieneb looduslikule mereveele, saastunud mereveele, soolvee lahustele ja oksüdeerivatele kloriidühenditele, nagu märg kloor, kloordioksiid ja hüpokloritid.
Titaani eelised merevee ja kloriidi teenindamiseks
Piiramatu elu merevees
Titanium Grade 2 (kaubanduslikult puhas) tagab piiramatu kasutusea looduslikus ja saastunud merevees temperatuuril kuni ligikaudu 80 kraadi (176 kraadi F). Mõõdetavat korrosiooni, auku ega pragude rünnakut ei esine. Paljud titaansoojusvahetid on merevee pidevas kasutuses olnud üle 30 aasta ilma riketeta. Kõrgematel temperatuuridel (kuni 100 kraadi või rohkem) laiendab titaan Grade 7 (0,12–0,25% pallaadiumiga) ohutut töövahemikku, suurendades oksiidkile stabiilsust redutseerivates tingimustes.
Vastupidavus oksüdeerivatele kloriididele
Titaan on materjal märja kloorigaasi, kloordioksiidi, hüpokloriti lahuste ja klooritud soolvee käitlemiseks. Need keskkonnad on enamiku metallide, sealhulgas roostevaba terase ja paljude niklisulamite suhtes väga söövitavad. Titaanoksiidkile jääb stabiilseks isegi vaba kloori ja hüpokloorhappe juuresolekul.
Kõrge tugevuse-ja-kaalu suhe
Titaani tihedus on ligikaudu 4,5 g/cm³-umbes 56% terase või niklisulamite tihedusest (8,0–8,9 g/cm³). Selle tõmbetugevus (2. klass: ~345 MPa saagis, ~ 485 MPa lõplik) on võrreldav roostevaba terasega 316. See kombinatsioon annab erakordse tugevuse{11}}ja{12}}massi suhte. Kergemad soojusvaheti torukimbud vajavad vähem konstruktsioonilist tuge, vähendavad vundamendi koormust ja neid on lihtsam paigaldada avamere- või merekeskkonda.
Hea soojusjuhtivus
Kuigi titaan ei ole nii juhtiv kui vask või alumiinium, on titaani soojusjuhtivus (ligikaudu 16–21 W/m·K) oluliselt kõrgem kui fluoropolümeeridel (0,25 W/m·K) ja võrreldav mõne roostevaba terasega. Õhukeseseinalised titaantorud (tavaliselt 0,5–0,7 mm seinapaksusega) tagavad tõhusa soojusülekande, säilitades samal ajal rõhu terviklikkuse.
Titaani piirangud
Titaan ei ole üldiselt{0}}korrosioonikindel. Seda ründavad:
Redutseerivad happed: Vesinikkloriidhape, väävelhape ja fosforhape oksüdeerivate ainete puudumisel. Oksiidkile lahustub nendes keskkondades. Väikesed kogused oksüdeerivaid ioone (raud-, vask- või lämmastikhape) või pallaadiumiga legeerimine (7. klass) võivad aga passiivsust taastada.
Vesinikfluoriidhape: Isegi väikesed HF-i kogused põhjustavad kiiret rünnakut.
Veevaba kloor: Kuiv kloorgaas võib titaani süüdata. Oksiidkile säilitamiseks on vaja niiskust.
Kõrge{0}}temperatuuri söövitavad lahused: Üle 100 kraadi võivad kontsentreeritud leelised põhjustada korrosiooni.
Mereveeteenuse puhul on 2. klassi titaani maksimaalne pidev temperatuur tavaliselt piiratud 80–100 kraadiga, kuna teatud tingimustes tekib pragukorrosiooni oht (nt seisva mereveega kitsad praod). Kõrgematel temperatuuridel on ette nähtud klass 7 või muud titaanisulamid.
Kulud on veel üks kaalutlus. Titaan on kallim kui roostevaba teras või vasesulamid, tavaliselt 5–10 korda suurem kui roostevaba teras 316 kaalu alusel. Siiski on see tunduvalt odavam kui niklisulamid (Hastelloy, Inconel) või eksootilised metallid nagu tantaal. Kui arvestada elutsükli kogukulu-,-sealhulgas hooldus, seisakud ja asendamine,-on titaan sageli merevee teenindamisel ökonoomne.
Levinud titaaniklassid soojusvaheti teenindamiseks
| Hinne | Koosseis | Põhiomadused | Tüüpilised rakendused |
|---|---|---|---|
| 2. klass | Kaubanduslikult puhas (99,2% Ti) | Suurepärane korrosioonikindlus merevees kuni 80 kraadi; hea tugevus ja vormitavus | Enamik merevee{0}}jahutusega soojusvahetiid, kondensaatoreid, aurustajaid |
| 7. klass | Ti + 0.12–0,25% Pd | Suurenenud vastupidavus redutseerivatele hapetele; Kõrgema temperatuuri merevee võime (kuni 100 kraadi +) | Keemilised protsessisoojusvahetid,{0}}kõrgema temperatuuriga soolvee teenus |
| 12. klass | Ti + 0.3% Mo + 0.8% Ni | Parem vastupidavus redutseerivatele hapetele ja{0}}kõrgtemperatuursele pragude korrosioonile | Kest{0}}ja-toruvahetid agressiivses keemilises keskkonnas |
Rakendused pinnaviimistluses ja keemilises töötlemises
Pinnaviimistlustööstuses kasutatakse titaansoojusvahetiid:
Galvaniseeritud vanni küte/jahutus: Paljud plaadistuslahused sisaldavad kloriide (nt nikkelkloriid, tsinkkloriid) või töötavad kõrgel temperatuuril, kus roostevabast terasest tekivad augud. Titaanist kümbluspoolid ning kest-ja-toruvahetid tagavad pika kasutusea.
Anodeerimine ja söövitamine: alumiiniumist anodeerivad vannid sisaldavad sageli väävel- või kroomhapet koos kloriidi saasteainetega; titaan peab vastu mõlemale.
PCB ja metalli viimistlus: vaskkloriidi või raudkloriidiga söövituslahused on väga agressiivsed; titaan on nende ahelate soojusvahetuse standardmaterjal.
Keemilises töötlemises on titaansoojusvahetid ette nähtud:
Magestamistehased: mitmeastmeline välklamp (MSF) ja pöördosmoosi (RO) eeltöötlus nõuavad merevee soojendamist ja jahutamist.
Kloor-leeliste tootmine: Märja kloori, naatriumhüpokloriti ja klooritud soolvee käitlemine.
Avamere nafta ja gaas: Protsessi voogude ja tehnosüsteemide merevee jahutamine.
Võrdlustabel: titaan vs. muud materjalid merevee/kloriidi teenuse jaoks
| Materjal | Mereveekindlus (kuni 80 kraadi) | Vastupidavus kloriidide tekkele | Lõhede korrosioonikindlus | Vastupidavus pingekorrosioonile (SCC). | Suhteline kulu (1=madalaim) | Tüüpiline kasutusiga merevees |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 316L roostevaba teras | Kehv (kuude jooksul auke) | Madal | Madal | Mõõdukas (tundlik) | 1 | Kuud kuni 2 aastat |
| Super Duplex (UNS S32750) | Hea (piiratud ~40 kraadini) | Mõõdukas | Mõõdukas | Hea (aga võimalik) | 2–3 | 5-10 aastat |
| Vask-nikkel (90/10) | Hea (kuid kannatab erosiooni-korrosiooni käes) | Mõõdukas (saastatud merevees olevad süvendid) | Madal | Ei kohaldata | 1.5–2 | 5-15 aastat |
| Hastelloy C-276 | Suurepärane (kuid kulukas) | Kõrge | Kõrge | Suurepärane | 8–12 | >20 aastat |
| Titaan klass 2 | Suurepärane (immuunne) | Suurepärane (immuunne) | Suurepärane (kuni 80 kraadi) | Suurepärane (immuunne) | 5–8 | >30 aastat |
| Titaani klass 7 | Suurepärane (kuni 100 kraadi +) | Suurepärane | Suurepärane (kõrgematele temperatuuridele) | Suurepärane | 7–10 | >30 aastat |
Märkus. Kulude kordajad on ligikaudsed ja sõltuvad turutingimustest ja soojusvaheti konfiguratsioonist.
Titaansoojusvahetite disainilahendused
Titaansoojusvahetite edukas kasutuselevõtt nõuab tähelepanu mitmele disaini üksikasjale:
Pragude vältimine: While titanium resists crevice corrosion up to its temperature limits, deep or stagnant crevices at high temperatures (>80 kraadi 2. astme jaoks) võib rünnaku algatada. Soovitatav on kasutada täis-läbitungivaid keevisõmblusi, tihendita toru-ja-torude lehtede liitekohti (nt laiendatud ja tihend-keevitatud) ning vältida tihedaid pragusid.
Galvaaniline ühilduvus: Titaan on enamiku tavaliste metallide suhtes katoodne. Merevees vähem väärismetallidega (teras, vask, alumiinium) ühendamisel tekib viimaste galvaaniline korrosioon. Vajalik on isoleerimine või sobiva materjali valik.
Vesinik rabestumine: Titaan neelab vesinikku kõrgendatud temperatuuridel katoodtingimustes (nt kui see on ühendatud anoodilisema metalliga või redutseerivas happelises keskkonnas). Vesiniku kogumine võib põhjustada rabedust. Süsteemi õige projekteerimine väldib selliseid tingimusi.
Saastumise kontroll: Titaani sile pind on biomäärdumiskindel, kuid merekasv võib siiski esineda. Kloorimine või muud saastumisvastased meetmed sobivad titaaniga.
Järeldus
Titaan on merevee ja kloriidi soojusvahetite esmaklassiline metallmaterjal, mis pakub ainulaadset kombinatsiooni korrosioonikindlusest ja mehaanilisest vastupidavusest. Selle vastupidavus punkt-, lõhekorrosioonile ja pingekorrosioonipragudele kloriidikeskkonnas on kuluefektiivsete metallide hulgas võrreldamatu. Kuigi esialgne materjalikulu ületab roostevaba terase või vasesulamite oma, muudab titaani pikenenud kasutusiga, -sageli üle 30 aasta-ja minimaalne hooldus, titaani elutsükli jooksul väga ökonoomseks. Materjali valikul tuleb arvestada konkreetse kloriidi kontsentratsiooni ja temperatuuri; enamiku alla 80 kraadise merevee ja soolvee rakenduste jaoks pakub titaani klass 2 määramata aja teenust. Kõrgemate temperatuuride või agressiivsemate tingimuste korral suurendavad 7. klassi titaan või muud sulamid jõudlust. Pinnaviimistluses ja keemilises töötlemises, kus töökindlus ja tööaeg on esmatähtsad, ontitaansoojusvaheti merevesikloriidi teenuskombinatsioon jääb kullastandardiks.
