Hình dạng kẽ hở (Vật liệu đệm và mô-men xoắn kẹp) ảnh hưởng như thế nào đến thời gian bắt đầu ăn mòn kẽ hở trên các ống gia nhiệt bằng titan trong bể bay hơi muối?

Các ao bốc hơi muối để sản xuất natri clorua, kali clorua và các muối khác từ nước muối được vận hành ở nhiệt độ 40-60 độ và nồng độ clorua từ bão hòa (khoảng 26% NaCl) đến siêu bão hòa với sự kết tủa của tinh thể muối. Ống gia nhiệt titan được sử dụng để duy trì nhiệt độ bay hơi và ngăn chặn sự kết tinh của bề mặt truyền nhiệt. Tuy nhiên, dạng hư hỏng chủ yếu là ăn mòn kẽ hở tại các mối nối ống-với mâm ống, dưới các miếng đệm và dưới các phần đính kèm kẹp. Không giống như nhiều vấn đề ăn mòn titan chủ yếu liên quan đến hóa học hợp kim hoặc độ dày thành, thời gian bắt đầu ăn mòn kẽ hở trong dịch vụ bay hơi muối bị ảnh hưởng đáng kể bởi các thông số thiết kế cơ học như hình học kẽ hở (chiều rộng và chiều sâu khe hở), vật liệu đệm và mô-men xoắn kẹp. Bài viết này đánh giá tác động của các biến này đến thời điểm bắt đầu có kẽ hở và đưa ra các đề xuất thiết kế để kéo dài tuổi thọ của máy sưởi trong dịch vụ ao muối.

Cơ chế ăn mòn kẽ hở trong nước muối clorua bão hòa.
Nước muối natri clorua bão hòa hoặc gần bão hòa ở 50 độ rất mạnh do nồng độ clorua (khoảng 5,4 M Cl-) và cường độ ion cao trong dung dịch khối. Nhưng titan bị động trong nước muối số lượng lớn vì không có độ pH thấp liên quan đến hàm lượng clorua cao. Điều kiện chính cho sự ăn mòn kẽ hở là tình trạng thiếu oxy trong kẽ hở. Sự hòa tan anốt của titan tạo ra Ti4+ bị thủy phân tạo thành H+.. Kết quả là độ pH bên trong kẽ hở giảm xuống 2-3 khi cạn kiệt oxy. Đối với nước muối clorua bão hòa, việc giảm độ pH một chút sẽ dẫn đến tình trạng titan không thể thụ động trở lại và sự ăn mòn ở kẽ hở lan truyền nhanh chóng.

Thời gian bắt đầu, tức là thời gian trước khi bắt đầu tấn công vào kẽ hở liên tục, có liên quan đến tốc độ cạn kiệt oxy và tốc độ giảm độ pH xuống dưới ngưỡng tái thụ động. Cả hai đều được điều khiển bởi hình dạng của kẽ hở, tính thấm của vật liệu đệm với oxy và áp suất tiếp xúc giữa đệm và bề mặt titan.

Ảnh hưởng của chiều rộng khe nứt
Trong số các thông số hình học, quan trọng nhất là chiều rộng của khe hở giữa ống titan và bề mặt đối diện (tấm ống, miếng đệm hoặc kẹp). Đối với một chiều rộng khe hở cụ thể, tốc độ khuếch tán oxy vào kẽ hở tỷ lệ với lập phương của khe hở (định luật Fick đối với kênh hẹp). Khoảng trống lớn hơn cho phép bổ sung oxy, làm chậm quá trình cạn kiệt và kéo dài thời gian bắt đầu. những khoảng trống nhỏ hơn dẫn đến sự suy giảm oxy nhiều hơn.

Kiểm tra có kiểm soát các mẫu titan Loại 2 có vết nứt nhân tạo có độ rộng khe hở được kiểm soát, trong NaCl bão hòa ở 50 độ, pH 7,0, đã cho thấy thời gian bắt đầu sau (thời gian tấn công có thể nhìn thấy dưới độ phóng đại 10 lần):

Ở khe hở có chiều rộng 0,05 mm (điển hình là miếng đệm PTFE chịu lực tốt-so với mặt bích được gia công), sự suy giảm oxy xảy ra sau 24-48 giờ và sự tấn công của kẽ hở bắt đầu sau 50-100 giờ. Ở khoảng cách rộng 0,10 mm, quá trình bắt đầu xảy ra sau 200-300 giờ. Với chiều rộng khoảng cách 0,25 mm, thời gian bắt đầu kéo dài đến 500 đến 1000 giờ. Sự khuếch tán oxy cho phép duy trì tính thụ động và do đó không phát hiện thấy sự tấn công của kẽ hở nào ở độ rộng khe hở 0,50 mm sau 5.000 giờ. Ở chiều rộng khe hở lớn hơn 1,0 mm, hình học không còn là kẽ hở mà là khe hở mở. Không có cuộc tấn công nào diễn ra.

Trong thực tế, điều này có nghĩa là những kẽ hở rất chật (nhỏ hơn 0,1 mm) là nguy hiểm nhất. Người thiết kế nên tạo các khoảng trống rộng hơn 0,5 mm (miếng đệm dày hoặc các miếng đệm) hoặc loại bỏ các khoảng trống (các mối hàn).

Ảnh hưởng của độ sâu kẽ hở
Phạm vi của kẽ hở (khoảng cách mà khe hở xuyên qua dưới miếng đệm hoặc vào trong tấm ống) xác định lượng bề mặt-đã cạn kiệt oxy có sẵn để hòa tan anốt. Quá trình bắt đầu được tăng tốc ở những kẽ hở sâu hơn vì chúng có vùng cạn kiệt oxy-lớn hơn và đường khuếch tán dài hơn trong một khoảng trống nhất định.

Đối với chiều rộng khe hở nhất định là 0,1 mm, thời gian bắt đầu giảm từ 300 giờ xuống 100 giờ khi độ sâu kẽ hở tăng từ 5 mm lên 20 mm. Ở độ sâu 50 mm, quá trình bắt đầu xảy ra sau 40{11}}50 giờ. Tránh độ sâu khe nứt lớn hơn 15 mm đối với dịch vụ làm bay hơi muối. Các mối nối ống{12}}với tấm ống phải được thiết kế để có kẽ hở nông (sâu dưới 10 mm) hoặc được hàn xuyên suốt để loại bỏ kẽ hở.

Tính thấm của vật liệu đệm
Vật liệu đệm khác nhau về khả năng thấm oxy và khả năng hấp thụ nước muối, cả hai đều ảnh hưởng đến hóa học kẽ hở. các miếng đệm không-xốp, không{2}}thấm (PTFE, PEEK, kim loại) mang lại sự bịt kín và không cho phép khuếch tán oxy qua chính miếng đệm, do đó đẩy nhanh quá trình cạn kiệt oxy trong kẽ hở. Cao su mềm, EPDM, silicone (miếng đệm xốp, thấm): Một số oxy có thể khuếch tán qua thân miếng đệm để thay thế kẽ hở và làm chậm quá trình khởi động.

Các vật liệu đệm khác nhau đã được thử nghiệm (khe hở 0,1 mm, độ sâu 10 mm, NaCl bão hòa ở 50 độ) và kết quả là:

Miếng đệm PTFE (không thấm nước) – bắt đầu sau 200-300 giờ. Cao su EPDM (độ thấm vừa phải): khởi phát sau 400–600 giờ. Cao su silicon (độ thấm cao) 800 đến 1.200 giờ để bắt đầu. Không có miếng đệm (kim loại{10}}tiếp xúc với kim loại, có khoảng cách bằng không, bề mặt xốp) Bắt đầu hoạt động sau hơn 2000 giờ chỉ với mức độ tấn công vừa phải.

Sự đánh đổi-là các miếng đệm thấm nước sẽ hấp thụ nước muối và trương nở, điều này có thể thay đổi hình dạng khe hở theo thời gian. Silicone và EPDM bị hỏng trong thời gian dài (2-5 năm) trong nước muối nóng và cần được thay thế.

Mô-men xoắn kẹp và áp suất tiếp xúc
Áp suất tác dụng lên miếng đệm và mặt tiếp xúc titan là hàm số của mô-men xoắn dùng để siết chặt kẹp. Mô-men xoắn nhiều hơn có nghĩa là vòng đệm chặt hơn, nghĩa là chiều rộng khe hở hiệu quả giảm và lượng oxy được khuếch tán ít hơn. Mô-men xoắn thấp hơn (trong giới hạn bịt kín) dẫn đến khe hở hiệu quả lớn hơn một chút, do đó việc bắt đầu có kẽ hở chậm hơn.

Thử nghiệm miếng đệm PTFE trên mặt bích ống có đường kính 50 mm với NaCl bão hòa ở 50 độ cho kết quả:

Mô-men xoắn 20 N·m (thấp) Khe hở hiệu quả 0,15-0,20 mm Khởi động 400-600 giờ. Mô-men xoắn 40 Nm (tiêu chuẩn) Khoảng cách hiệu quả 0,08-0,12 mm Bắt đầu 200-300 giờ Mô-men xoắn 60 N·m (cao): khoảng cách hiệu quả 0,04-0,07 mm, bắt đầu 50-100 giờ.

Cách tốt nhất để bảo dưỡng thiết bị bay hơi muối là sử dụng lượng mô-men xoắn nhỏ nhất để tạo ra vòng đệm, thường là 50 đến 60% mức tối đa được đề xuất cho vật liệu đệm. Kỹ thuật này làm tăng khoảng cách hiệu quả mà không bị rò rỉ.

Ma trận ứng dụng thiết kế kẽ hở cho thiết bị bay hơi muối
Thông số thiết kế Giá trị ưu tiên để kéo dài tuổi thọ Cơ chế Thời gian dự kiến ​​để hình thành kẽ hở (NaCl bão hòa, 50 độ)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5.000 giờ (không tấn công)
Chiều rộng khoảng cách (nếu<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
Độ sâu kẽ hở<10 mm Anode area limited 300-500 hours
Vật liệu đệm EPDM hoặc silicone (th thấm) Vòng đệm khuếch tán oxy400 đến 1.200 giờ.
Mô-men xoắn kẹp Min. mô-men xoắn bịt kín (50-60% tối đa)Tối đa hóa khoảng cách hiệu quả dài hơn 2-3 lần so với mô-men xoắn cao
Ống nối-tấm ốngMàn hàn (ngâm hoàn toàn)Không bị tấn công vào kẽ hở (chỉ là rỗ) Loại bỏ kẽ hở
Những lời khuyên thiết thực về máy sưởi bay hơi muối
Trong các bể bay hơi muối, thiết kế tốt nhất cho ống gia nhiệt bằng titan là thiết kế trong đó tất cả các vết nứt được loại bỏ bằng các khớp nối-ống hàn xuyên thấu hoàn toàn-với-bảng ống. Khi cần các kết nối có thể tháo rời, hãy sử dụng miếng đệm có đục lỗ hoặc có gân để duy trì sự tách biệt và chỉ định chiều rộng khe hở từ 0,20 đến 0,30 mm. Sử dụng miếng đệm EPDM hoặc silicone (được xếp hạng cho nước muối 60 độ) thay vì PTFE để tận dụng khả năng thấm oxy của nó. Áp dụng mô-men xoắn kẹp tối thiểu để ngăn ngừa rò rỉ như được xác định bằng thử nghiệm bong bóng. Thiết kế mặt bích có rãnh nông để hạn chế độ sâu kẽ hở ở mức 10 mm hoặc nhỏ hơn. Những lựa chọn thiết kế này giúp tăng thời gian bắt đầu có kẽ hở từ 200-300 giờ (miếng đệm PTFE tiêu chuẩn, mô-men xoắn cao) lên 2.000-5.000 giờ trước khi cần kiểm tra hoặc 3-6 tháng hoạt động liên tục. Lên lịch kiểm tra lò sưởi hàng năm và làm sạch mọi vết nứt mới phát sinh bằng cách đánh bóng nhẹ để vận hành ao muối 24/7. Đối với các ứng dụng có thời gian bảo trì 5 năm, mối hàn là cần thiết, ngay cả khi hình dạng được tối ưu hóa.