U toploj morskoj vodi (60-90 stupnjeva, 3-4% saliniteta), PFA grijači štite metalnu jezgru od izravnog kemijskog napada. Međutim, mikroskopski defekti ili putovi prodiranja na kraju dopuštaju kloridnim ionima da dođu do jezgre. Jednom kada klorid dođe u kontakt s metalom, pucanje uslijed korozije pod naponom (SCC) postaje dominantan mehanizam kvara. Jezgra od titana Grade 2 otporna je na SCC -izazvanu kloridom gotovo neograničeno, dok jezgra od Incoloya 825 puca u roku od nekoliko mjeseci do nekoliko godina pod vlačnim naprezanjem. Razlika proizlazi iz stabilnosti pasivnog filma: titan tvori žilav sloj TiO₂ koji se -brzo samozacjeljuje u prisutnosti kisika ili vode. Incoloy stvara film krom oksida (Cr₂O3) koji je osjetljiv na napad kloridnih iona, što dovodi do udubljenja i kasnijeg nastanka pukotina. Za PFA grijače u okruženjima s vrućom morskom vodom ili slanom vodom, jezgra od titana produljuje životni vijek za 5-10 puta u usporedbi s Incoloyem.
Mehanizam kloridom-induciranog pucanja na inkoloj
Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) oslanja se na pasivni film krom oksida za otpornost na koroziju. U vrućoj morskoj vodi, kloridni ioni adsorbiraju se na površini filma, lokalno ga ometajući. Izloženi metal se otapa, stvarajući jamu. Na vrhu jame, kiselo okruženje bogato-kloridima sprječava ponovnu-pasivaciju. Vlačno naprezanje (od toplinskog širenja ili zaostalog proizvodnog naprezanja) koncentrira se u udubini, izazivajući pukotinu. Jednom kad se pukotina formira, širi se transgranularno kroz Incoloy. Za PFA grijač s oštećenim omotačem ili prožetim kloridom, Incoloy jezgra obično otkazuje unutar 1000–5000 sati na 80 stupnjeva, čak i ako se PFA čini netaknutim. Pukotina uzrokuje gubitak električnog kontinuiteta jezgre ili uzemljenje na PFA, što uzrokuje kvar grijača.
Titan Grade 2 (komercijalno čist) stvara TiO₂ film koji je izuzetno stabilan u kloridnim okruženjima. Film se gotovo trenutno mijenja ako je oštećen, pod uvjetom da su prisutni kisik ili voda. Morska voda sadrži dovoljno otopljenog kisika. Kloridni ioni ne ometaju TiO₂ film; zapravo ga stabiliziraju. Titan je otporan na klorid SCC na temperaturama ispod 120 stupnjeva. U vrućoj morskoj vodi, titanijske jezgre ne pokazuju SCC nakon 50,000+ sati izlaganja, čak i kada su mehanički opterećene.
Usporedna izvedba u vrućoj morskoj vodi (80 stupnjeva, 3,5% NaCl, 50 MPa primijenjeno opterećenje na jezgru)
| Materijal metalne jezgre | Pasivni film | Vrijeme do pittinga (sati) | Vrijeme do početka krekanja (sati) | Vrijeme do kvara (sati) | Način dominantnog kvara | Relativni život |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Incoloy 825 (kako-je primljen) | Cr2O3 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | Transgranularni SCC | 1.0× |
| Inkoloj 825 (pasivan) | Cr2O3 | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| Titan Grade 2 (žaren) | TiO₂ | >50 000 (ništa) | >50,000 | >50,000 | Ništa (moguće duktilno oštećenje) | >10× |
| Titan Grade 7 (Pd-legiran) | TiO₂ | >50,000 | >50,000 | >50,000 | Nijedan | >10× |
| Nehrđajući čelik 316L | Cr2O3 | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | Udubljenje + SCC | 0.3–0.5× |
Dokazi s terena iz brodskih izmjenjivača topline
Obalna elektrana koristila je PFA grijače s Incoloy 825 jezgrama u izmjenjivaču topline-hlađenom morskom vodom (80 stupnjeva). Grijači su kvarili svakih 12-18 mjeseci zbog pucanja jezgre. Post-analiza kvara pokazala je prodiranje klorida kroz mikroskopske PFA šupljine i naknadni SCC Incoloya. Tvornica je zamijenila grijače identičnim PFA omotačima, ali jezgrama od titana Grade 2. Nakon 5 godina neprekidnog rada nije došlo do kvara. Jezgre od titana nisu pokazivale udubljenja ili pukotine. Tvornica sada specificira jezgre od titana za sve PFA grijače-izložene morskoj vodi.
Zašto je Incoloy još uvijek uobičajen i kada je prihvatljiv
Incoloy se i dalje široko koristi jer je jeftiniji (otprilike 50% cijene titana) i ima odgovarajuće performanse u ne-kloridnim okruženjima ili na nižim temperaturama (<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.
Preporuke za dizajn za uslugu klorida
| okoliš | Koncentracija klorida | Temperatura | Preporučeni materijal jezgre | Obrazloženje |
|---|---|---|---|---|
| slatka voda (deionizirana) | <10 ppm | Bilo koje | Incoloy (-isplativ) | Nema rizika od SCC-a |
| Bočata voda | 100–1000 ppm | <50°C | Incoloy | Prihvatljiv |
| Bočata voda | 100–1000 ppm | >60 stupnjeva | Titan Grade 2 | SCC rizik iznad 60 stupnjeva |
| Morska voda (otvorena petlja) | 30 000–40 000 ppm | Bilo koje | Titan Grade 2 | Obavezno |
| salamura (isparivač) | >100 000 ppm | >70 stupnjeva | Titan Grade 2 ili Grade 7 | Obavezno |
| Topla morska voda (izmjenjivač topline) | 35 000 ppm | 80 stupnjeva | Titan Grade 2 | Proven life >5 godina |
Zaključak: jezgra od titana eliminira pucanje uzrokovano naprezanjem klorida u vrućoj morskoj vodi
U servisu s toplom morskom vodom (80 stupnjeva, 3,5% NaCl), PFA grijač s metalnom jezgrom od titana Grade 2 ima 10x duži život od jezgre od Incoloy 825 jer je TiO₂ pasivni film od titana otporan na klorid-inducirano korozijsko pucanje. Incoloyev film krom oksida raspada se na kloride, što dovodi do udubljenja, nastanka pukotina i kvara u roku od nekoliko mjeseci do nekoliko godina. Za bilo koji PFA grijač koji radi u okruženjima -bogatim kloridima iznad 60 stupnjeva, navedite jezgru od titana. Početni trošak nadoknađuje se eliminiranim zastojima i troškovima zamjene. Inženjeri koji odabiru materijale za brodove, desalinizaciju ili grijanje slane vode moraju dati prednost titanu. Incoloy pripada slatkoj vodi; titanijum vlada morem.
