Kuuma merevee kasutamisel (60–90 kraadi, soolsus 3–4%) kaitsevad PFA-soojendid metallist südamikku otsese keemilise rünnaku eest. Kuid mikroskoopilised defektid või läbitungimise rajad võimaldavad lõpuks kloriidioonidel jõuda tuumani. Kui kloriid puutub kokku metalliga, muutub pingekorrosioonipragunemine (SCC) domineerivaks rikkemehhanismiks. Titaanist 2. klassi südamik peab kloriidi-indutseeritud SCC-le vastu peaaegu lõputult, samas kui Incoloy 825 südamik praguneb tõmbepinge all kuude kuni mõne aasta jooksul. Erinevus tuleneb passiivse kile stabiilsusest: titaan moodustab vastupidava TiO₂ kihi, mis ise{11}}paraneb hapniku või vee juuresolekul kiiresti. Incoloy moodustab kroomoksiidi (Cr₂O3) kile, mis on tundlik kloriidioonide rünnakule, mis põhjustab täppide moodustumist ja sellele järgnevat pragude teket. Kuuma merevee või soolvee keskkonnas töötavate PFA-soojendite puhul pikendab titaansüdamik kasutusiga 5–10 korda võrreldes Incoloyga.
Kloriidi{0}}indutseeritud pingelõhenemise mehhanism Incoloy'l
Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) toetub korrosioonikindluse tagamiseks passiivsele kroomoksiidkilele. Kuumas merevees adsorbeeruvad kloriidioonid kile pinnale, häirides seda lokaalselt. Paljastunud metall lahustub, moodustades süvendi. Kaevu tipus takistab happeline kloriidi{7}}rikas keskkond re-passiveerumist. Tõmbepinge (soojuspaisumisest või tootmisjääkpingest) koondub süvendisse, tekitades pragu. Kui pragu on tekkinud, levib see läbi Incoloy transgranulaarselt. Purunenud ümbrisega või kloriidiga läbi imbunud PFA-soojendi korral läheb Incoloy südamik 80 kraadi juures tavaliselt üles 1000–5000 tunni jooksul, isegi kui PFA näib olevat terve. Pragu põhjustab südamiku elektrilise järjepidevuse või PFA maanduse kadumise, mis põhjustab kütteseadme rikke.
Titaani klass 2 (kaubanduslikult puhas) moodustab TiO₂-kile, mis on kloriidikeskkonnas äärmiselt stabiilne. Kui kile on kahjustatud, muutub see peaaegu koheselt, tingimusel et sees on hapnikku või vett. Merevesi sisaldab rohkelt lahustunud hapnikku. Kloriidioonid ei riku TiO₂ kilet; nad tegelikult stabiliseerivad seda. Titaan on immuunne kloriid-SCC suhtes temperatuuril alla 120 kraadi. Kuumas merevees ei näita titaansüdamikud SCC-d pärast 50,000+ tundi kokkupuudet isegi mehaanilise pinge korral.
Võrdlev jõudlus kuumas merevees (80 kraadi, 3,5% NaCl, 50 MPa rakendatud pinge südamikule)
| Metallist südamiku materjal | Passiivfilm | Pittimise aeg (tunnid) | Aeg lõhe alguseni (tunnid) | Aeg ebaõnnestumiseni (tunnid) | Domineeriv tõrkerežiim | Suhteline elu |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Incoloy 825 (-saanud) | Cr₂O3 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | Transgranulaarne SCC | 1.0× |
| Incoloy 825 (passiveeritud) | Cr₂O3 | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| Titaan klass 2 (lõõmutatud) | TiO₂ | >50 000 (puudub) | >50,000 | >50,000 | Puudub (plastiline rike võimalik) | >10× |
| Titaan, klass 7 (Pd{1}}legeeritud) | TiO₂ | >50,000 | >50,000 | >50,000 | Mitte ühtegi | >10× |
| Roostevaba teras 316L | Cr₂O3 | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | Pitting + SCC | 0.3–0.5× |
Meresoojusvahetite välitõendid
Rannikuäärses elektrijaamas kasutati Incoloy 825 südamikuga PFA-soojendeid merevesi{1}}jahutusega soojusvahetis (80 kraadi). Küttekehad ebaõnnestusid südamiku pragunemise tõttu iga 12–18 kuu järel. Rikkejärgne analüüs näitas kloriidi tungimist läbi mikroskoopiliste PFA tühimike ja sellele järgneva Incoloy SCC. Tehas asendas küttekehad identsete PFA-katetega, kuid titaanist 2. klassi südamikega. Pärast 5-aastast pidevat töötamist riket ei esinenud. Titaansüdamikel ei olnud auke ega pragusid. Tehas määrab nüüd titaansüdamikud kõikidele mereveega{14}}katmata PFA-soojenditele.
Miks on Incoloy endiselt levinud ja millal see vastuvõetav?
Incoloyd kasutatakse laialdaselt, kuna see on odavam (ligikaudu 50% titaani maksumusest) ja toimib piisavalt kloriidivabas keskkonnas või madalamatel temperatuuridel (<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.
Kloriiditeenuse disainisoovitused
| Keskkond | Kloriidi kontsentratsioon | Temperatuur | Soovitatav põhimaterjal | Põhjendus |
|---|---|---|---|---|
| Magevesi (deioniseeritud) | <10 ppm | Ükskõik milline | Incoloy (kulutõhus{0}}) | SCC riski puudub |
| Riimvesi | 100–1000 ppm | <50°C | Incoloy | Vastuvõetav |
| Riimvesi | 100–1000 ppm | >60 kraadi | Titaan klass 2 | SCC risk üle 60 kraadi |
| Merevesi (avatud tsükkel) | 30 000–40 000 ppm | Ükskõik milline | Titaan klass 2 | Kohustuslik |
| Soolvesi (aurusti) | >100 000 ppm | >70 kraadi | Titaani klass 2 või klass 7 | Kohustuslik |
| Kuum merevesi (soojusvaheti) | 35 000 ppm | 80 kraadi | Titaan klass 2 | Proven life >5 aastat |
Järeldus: titaansüdamik kõrvaldab kuumas merevees kloriidi stressi pragunemise
Kuuma merevee kasutamisel (80 kraadi, 3,5% NaCl) on titaanist 2. klassi metallsüdamikuga PFA-soojendi eluiga 10 korda pikem kui Incoloy 825 südamikuga, kuna titaani TiO₂ passiivne kile on immuunne kloriidi{5}}indutseeritud pingekorrosioonipragude suhtes. Incoloy kroomoksiidkile laguneb kloriidideks, põhjustades täppide tekkimist, pragude teket ja rikkeid mõne kuu kuni mõne aasta jooksul. Mis tahes PFA-soojendi jaoks, mis töötab kloriidi{8}rohkes keskkonnas üle 60 kraadi, määrake titaansüdamik. Esialgne kulu lisatasu hüvitatakse elimineeritud seisaku- ja asenduskulude kaudu. Insenerid, kes valivad materjale mere-, magestamis- või soolvees kuumutamiseks, peavad eelistama titaani. Incoloy kuulub magevette; titaan valitseb merd.
