Pentru un încălzitor cu imersie din titan instalat într-un rezervor de sulf topit (135 de grade, conține hidrogen sulfurat și polisulfuri), de ce un perete mai gros nu este benefic deoarece coroziunea este uniformă și durata de viață este determinată de dizolvarea totală a fierului?

Schimbul fundamental în proiectarea încălzitorului cu titan pentru service în sulf topit
Molten sulphur tanks are maintained at 135°C to keep sulphur in liquid form for transportation or processing. The sulfur is saturated with hydrogen sulfide (H₂S) and polysulfides (H₂S_x) in solution. Titanium immersion heaters are utilized because titanium has strong resistance to sulphur and sulphides at moderate temperatures. However, titanium corrodes in molten sulfur by a chemical process: Ti + 2S ->TiS₂ Coroziunea este consistentă, fără zâmbituri sau fisuri într-o zonă. Rata este de aproximativ 0,05-0,15 mm/an în funcție de conținutul de H2S. Deoarece coroziunea este uniformă, pierderea totală de metal (subțierea pereților) dictează durata de viață a încălzitorului. Grosimea mai mare a peretelui înseamnă proporțional mai multă viață. De două ori grosimea peretelui înseamnă de două ori durata de viață. Dar nu există o grosime de prag sub care coroziunea să accelereze sau peste care să se oprească. ( Cu pitting , pereții mai groși dau randamente descrescătoare . ) Această cercetare arată motivul detartrajului liniar simplu în cazul coroziunii uniforme și grosimea optimă a peretelui (1,5-2,0 mm) în cazul serviciului de sulf topit.

Mecanismul coroziunii uniforme: impactul asupra integrității mecanice
S-a descoperit că suprafața de titan reacţionează direct cu sulful și polisulfurile din sulful topit la 135 de grade, ducând la formarea disulfurei de titan (TiS2). Acoperirea cu TiS2 este relativ protectoare, dar este dizolvată lent sau desprinsă de sulful topit care curge. Viteza de coroziune urmează cinetică liniară: d=kt, unde k este 0,05–0,15 mm/an. Nu există un prag de descompunere pasiv al filmului, nicio temperatură critică pentru pitting și nici un mecanism pentru fisurarea prin coroziune prin tensiune. Coroziunea este consistentă pe toată suprafața scufundată.

Nu există un atac localizat, deci timpul până la perforare este simplu: t_perf=(grosimea peretelui de pornire) / (rata de coroziune). Dacă viteza de coroziune este de 0,10 mm/an, un perete de 1,2 mm va fi perforat în 12 ani. 15 ani pentru un perete de 1,5 mm. 20 ani pentru un perete de 2,0 mm grosime. Relația este o linie dreaptă perfectă. Prin urmare, un perete mai gros este avantajos direct proporțional cu materialul suplimentar. Cu toate acestea, costul titanului crește liniar cu grosimea. Nu există nici un beneficiu neliniar de a merge excesiv de gros.

Impactul asupra performanței termice: penalizare pentru transferul de căldură
Un perete mai gros implică un cost termic mic, dar real. Pentru un flux de căldură tipic de 2,0 W/cm$^2$, rezistența convectivă domină în sulful topit (h $\\aprox$ 500 W/m$^2$K datorită vâscozității ridicate). Pentru perete de 1,2 mm R_cond=7.1e-5; pentru perete de 2,0 mm R_cond=1.18e-4. Rezistența totală crește cu 8%, prin urmare temperatura suprafeței crește cu 2-3 grade. Acest lucru accelerează puțin viteza de coroziune (aproximativ 10% pentru o creștere de 3 °C), anulând oarecum avantajul peretelui mai gros. Beneficiul general al creșterii de la 1,2 mm la 2,0 mm este o prelungire a duratei de viață de la 12 ani la aproximativ 18 ani (nu 20 de ani din cauza accelerării temperaturii). Legea randamentelor descrescătoare este valabilă, deși slab.

Compartimentul-între grosimea peretelui și durata de viață
Grosimea peretelui (mm) Rata de coroziune la 135 grade (mm/an) Factor de accelerare a temperaturii Rata efectivă de coroziune (mm/an) Timp până la perforare (ani) Costul relativ al materialului 1,0 mm 0.10 1.00× 0.10 10 ani 1,0× 1,2 mm 0.10 1.02× 0.10 1.02× {1×0.102 11.8 1,0 × 1,2 mm {. 0.105 14.3 ani 1,5× 1,8 mm 0.10 1.08× 0.108 16.7 ani 1,8× 2,0 mm 0.10 1.10× 0.110 18.2 ani 2,0× 2,5 mm 0.10 1.15× 0.115 21.7 ani 2,5×
Un perete de 2,0 mm grosime are o durată de viață de 18 ani, cu 80% mai lungă decât un perete de 1,0 mm grosime, dar cu un cost de material cu 100% mai mare. Peretele de 1,5 mm oferă 14 ani cu 50% mai multă cheltuială, adesea cel mai bun punct economic.

Ingineria din spatele zidului: controlul temperaturii și calitatea sulfului
Concentrația de H₂S în sulful topit este un parametru foarte sensibil pentru viteza de coroziune. În sulf pur (H2S scăzut), ratele sunt de până la 0,03 mm/an. Sulful acru cu H2S ridicat și polisulfuri poate ajunge până la 0,25 mm/an. Dacă calitatea sulfului este slabă, este necesar un perete mai gros, dar o abordare mai bună este să pulverizați rezervorul de sulf cu azot pentru a îndepărta H2S, reducând rata de coroziune cu 70-80 %. Barbotarea azotului 30+ Ani 1,2 mm Perete Gestionarea temperaturii este de asemenea importantă: scăderea temperaturii rezervorului de la 135 de grade la 125 de grade reduce rata de coroziune cu aproximativ 40%, ceea ce permite pereți mai subțiri.

Concluzie: beneficiu liniar-Selectați peretele ca funcție a duratei de viață și a costului
Un perete mai gros este util pentru un încălzitor de imersie cu titan într-un rezervor de sulf topit la 135 de grade cu H2S și polisulfuri, deoarece coroziunea este uniformă și durata de viață depinde de cantitatea totală de metal dizolvat. Dublarea grosimii peretelui dublează aproximativ durata de viață (cu o mică penalizare din cauza accelerației temperaturii). Grosimea recomandată a peretelui: 1,2–1,5 mm pentru 10 ani de viață; 1,5–1,8 mm pentru 15 ani de viață; 2,0–2,5 mm pentru 20 de ani de viață. Nu există efect de prag (pereții mai groși nu funcționează). Cea mai bună alegere economică este de obicei 1,5 mm, ceea ce oferă 14 ani de viață la 50% mai mult decât un perete de 1,0 mm. Furnizați producătorului concentrația estimată de H₂S și temperatura de funcționare pentru a le permite să calculeze viteza exactă de coroziune. În cazul sulfului topit, grosimea peretelui de serviciu este o variabilă directă de proiectare liniară. Mai gros este mai bine, dar mai scump-alegeți pentru viața necesară.