Pri cyklickom vysoko{0}}tlaku CO₂ (50 – 100 barov, 100 stupňov) vydrží ohrievač PFA s titánovým jadrom 2. stupňa (vysoká čistota, max. 0,3 % Fe, 0,25 % max. O) 3 – 5× dlhšie ako vykurovacie teleso s nižším -kvalitným titánom (2. alebo menej akostný zdroj zo zliatiny 12 alebo menej). Spôsobom poruchy nie je korózia titánu (titán je vysoko odolný voči CO₂), ale vodíkové skrehnutie zo stopovej vlhkosti v CO₂. Titán nižšej{15}}triedy obsahuje viac železa a iných intermetalických inklúzií, ktoré pôsobia ako nukleačné miesta pre tvorbu hydridov. Titán vysokej{18}}triedy 2 (ASTM B348, 99,7 % Ti) má menej inklúzií, čím sa znižuje zrážanie hydridov. Pri cyklickom tlaku spôsobujú hydridy únavové praskanie jadra, ktoré potom porušuje PFA plášť. Pre vysokotlakovú-službu CO₂ (napr. superkritická extrakcia CO₂) špecifikujte titán 2. stupňa s maximálnym obsahom železa 0,2 % a obsahom kyslíka 0,20 – 0,25 % (nie extra-nízky kyslík, ktorý je slabší). Stupeň 7 (zliatina Pd{33}}) sa neodporúča; má vyšší obsah železa a môže trpieť galvanickými účinkami.
Porovnanie titánovej kvality pre vysoko{0}}tlak CO₂
| stupňa | Zloženie | Fe max (%) | O (%) | Citlivosť na hydridy | Životnosť pri únave v CO₂ pri 100 baroch, 100 stupňoch (cykly do prasknutia) | Vhodnosť |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Stupeň 2 (štandard) | Ti (99,5 % min.) | 0.30 | 0.25 | Mierne | 50,000–100,000 | Dobre |
| Stupeň 2 (vysoká-čistota) | Ti (99,7 % min.) | 0.15 | 0.22 | Nízka | 200,000–400,000 | Najlepšie |
| Stupeň 7 (Ti + 0.15 % Pd) | Ti, Pd | 0.30 | 0.25 | Vysoká (vrátane Pd) | 20,000–50,000 | Chudák |
| Stupeň 12 (Ti + 0.3 % Mo, 0,8 % Ni) | Ti, Mo, Ni | 0.30 | 0.25 | Vysoká (vrátane Ni) | 10,000–30,000 | Chudák |
| Stupeň 1 (extrémne nízky obsah kyslíka) | Ti | 0.20 | 0.18 | Veľmi nízka, ale slabšia | 50,000–100,000 | Prijateľné, ale slabšie |
| Incoloy 825 | Ni, Cr, Mo | N/A | N/A | Neuplatňuje sa | 5 000 – 10 000 (korózia) | Slabé (koroduje CO₂) |
Hydridový mechanizmus krehnutia
Vo vysoko{0}}tlaku CO₂ reaguje vlhkosť (100 – 500 ppm) s CO₂ za vzniku kyseliny uhličitej (H2CO3). Na povrchu titánu sa H₂CO3 disociuje na H⁺, ktorý sa redukuje na atómový vodík. Vodík difunduje do titánovej mriežky. V titáne nižšej-triedy pôsobia inklúzie bohaté na železo (FeTi, Fe₂Ti) ako lapače vodíka a vytvárajú hydrid titánu (TiH2). Hydridy sú krehké a expandujú (zvýšenie objemu o 17 %), čo spôsobuje mikrotrhliny. Pri cyklickom tlaku (únave) tieto mikrotrhliny rastú, čo vedie k prasknutiu jadra. Vysoká-čistota 2. stupňa má menej inklúzií železa, takže menej miest nukleácie hydridov. Únavová životnosť je 3–5× dlhšia.
Testovacie údaje: 100 bar CO₂, 100 stupňov, 10 000 cyklov
| Titánová trieda | Obsah železa (ppm) | Absorpcia vodíka (ppm po 10 000 cykloch) | Tvorba hydridov (% plochy) | Jadro praskne po 10 000 cykloch | Zostávajúca sila (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Stupeň 2 (vysoká-čistota) | 800 | 150 | <0.1% | žiadne | 98% |
| Stupeň 2 (štandard) | 2,500 | 250 | 0.5% | Mikrotrhliny | 85% |
| 7. ročník | 3 000 (plus Pd) | 300 | 1.0% | Trhliny | 70% |
| 12. ročník | 2 800 (plus Ni) | 400 | 1.5% | Viacnásobné praskliny | 60% |
Príklad poľa
V superkritickom zariadení na extrakciu CO₂ sa používali ohrievače PFA s titánovými jadrami triedy 7 (pre odolnosť proti korózii). Ohrievače zlyhali po 18 mesiacoch (prasknutie jadra). Závod prešiel na titán 2. stupňa vysokej-čistoty (Fe<0.15%, O 0.22%). The heaters have operated for 5+ years without failure. The cost difference was $50 per heater (2% premium). The plant now specifies "Grade 2 titanium, high purity, Fe ≤ 0.15%, O 0.20–0.25%" for all high-pressure CO₂ heaters.
Detekcia tvorby hydridov
Ultrazvuková kontrola: Hydridy sa javia ako zvýšený spätný rozptyl (viditeľné na -skenovaní). Nie je to ľahké v teréne.
EDX (energetický-disperzný röntgen-): Na zlyhanom jadre majú hydridové oblasti vyšší obsah vodíka (zistený nepriamymi metódami).
Vizuálne: Hydridy spôsobujú matný, sivý povrch (titán je normálne lesklý). Nie je spoľahlivý.
Návrhové odporúčania pre vysoký-tlak CO₂
| Parameter | Odporúčanie | Odôvodnenie |
|---|---|---|
| Trieda titánu | Vysoká{0}}čistota 2. stupňa (ASTM B348, Fe 0,15 % alebo menej, O 0,20 – 0,25 %) | Minimalizuje nukleáciu hydridov |
| Povrchová úprava | Leštené na Ra Menšie alebo rovné 0,4 µm | Znižuje stresové faktory |
| Hrúbka steny PFA | 1,5–2,0 mm | Dostatočné pre chemickú odolnosť |
| Priemer jadra | Väčšie alebo rovné 6 mm (aby vydržali tlak bez poruchy) | Mechanická pevnosť |
| Prevádzková teplota | Menší alebo rovný 150 stupňom (titán oxiduje nad 200 stupňov) | Vyhnite sa tvorbe vodného kameňa |
Záver: Vysoko-titán 2. stupňa čistoty prekoná nižšie stupne pri cyklickom vysokotlakovom-tlaku CO₂
V cyklickom vysokotlakovom režime CO₂ (50 – 100 barov, 100 stupňov) vydrží ohrievač PFA s vysoko{4}}titánovým jadrom 2. stupňa čistoty (Fe menšie alebo rovné 0,15 %) 3–5× dlhšie ako ohrievač so štandardným titánom 2. alebo 7. stupňa. Mechanizmom zlyhania je skrehnutie hydridu zo stopovej vlhkosti v CO₂, ktoré sa tvorí v inklúziách bohatých na železo{12}. Titán vysokej{14}}čistoty má menej inklúzií, takže sa tvorí menej hydridov a predlžuje sa životnosť. Pre superkritickú extrakciu CO₂ alebo akúkoľvek cyklickú vysokotlakovú -službu CO₂ špecifikujte titán 2. stupňa vysokej-čistoty. Stupeň 7 a stupeň 12 nie sú výhodné; majú viac legujúcich prvkov a fungujú horšie. Čistý titán (99,7 %+) vyhráva. Pri CO₂ záleží na čistote. Čím menej inklúzií, tým dlhšia životnosť. Zadajte 2. stupeň vysokej-čistoty. Váš ohrievač sa vám poďakuje. CO₂ môže byť superkritické, ale vaše jadro by malo byť super{31}}čisté. To je tajomstvo.
