עבור מחמם טבילה טיטניום המותקן במיכל גופרית מותכת (135 מעלות, מכיל מימן גופרתי ופוליסולפידים), מדוע קיר עבה יותר אינו מועיל מכיוון שהקורוזיה אחידה והחיים נקבעים על ידי פירוק ברזל מוחלט?

הפשרה הבסיסית בתכנון מחמם טיטניום לשירות בגופרית מותכת
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 הקורוזיה עקבית, אינה מתפרצת או נסדקת באזור אחד. הקצב הוא כ-0.05-0.15 מ"מ לשנה בהתאם לתכולת H2S. מכיוון שהקורוזיה אחידה, אובדן המתכת הכולל (דילול הקירות) מכתיב את חיי המחמם. יותר עובי דופן פירושו יותר חיים באופן יחסי. פי שניים מעובי הדופן פירושו פי שניים מחיי השירות. אבל אין עובי סף שמתחתיו מאיץ הקורוזיה, או שמעליו היא נעצרת. (עם פיתולים, קירות עבים יותר נותנים החזרים פוחתים.) מחקר זה מראה את הסיבה לקנה מידה ליניארי פשוט במקרה של קורוזיה אחידה ועובי אופטימלי של הקיר (1.5-2.0 מ"מ) במקרה של שירות גופרית מותכת.

מנגנון של קורוזיה אחידה: השפעה על שלמות מכנית
נמצא שמשטח הטיטניום מגיב ישירות עם גופרית ופוליסולפידים בגופרית מותכת ב-135 מעלות, מה שמוביל ליצירת טיטניום דיסולפיד (TiS2). ציפוי TiS 2 מגן יחסית אך הוא מתמוסס לאט או מתפורר על ידי הגופרית המותכת הזורמת. קצב הקורוזיה עוקב אחר קינטיקה ליניארית: d=kt, כאשר k הוא 0.05-0.15 מ"מ לשנה. אין סף פירוק סרט פסיבי, אין טמפרטורה קריטית לבור ואין מנגנון לסדיקת קורוזיה. הקורוזיה עקבית לאורך כל המשטח הטבול.

אין התקפה מקומית, ומכאן שהזמן עד לניקוב הוא פשוט: t_perf=(עובי דופן התחלתי) / (שיעור קורוזיה). אם קצב הקורוזיה הוא 0.10 מ"מ לשנה, קיר של 1.2 מ"מ יחורר בעוד 12 שנים. 15 שנים עבור דופן 1.5 מ"מ. 20 שנים עבור קיר בעובי 2.0 מ"מ. היחס הוא קו ישר מושלם. לכן קיר עבה יותר הוא יתרון ביחס ישר לחומר הנוסף. העלות של טיטניום, לעומת זאת, עולה באופן ליניארי עם העובי. אין שום יתרון לא ליניארי ללכת עבה במיוחד.

השפעה על ביצועים תרמיים: עונש העברת חום
קיר עבה יותר כרוך בעלות תרמית קטנה אך אמיתית. עבור שטף חום טיפוסי של 2.0 W/cm$^2$, עמידות ההסעה שולטת בגופרית מותכת (h $\\כ-$500 W/m$^2$K עקב צמיגות גבוהה). עבור קיר 1.2 מ"מ R_cond=7.1e-5; עבור קיר 2.0 מ"מ R_cond=1.18e-4. ההתנגדות הכוללת גדלה ב-8%, ולכן טמפרטורת פני השטח גדלה ב-2-3 מעלות. זה מאיץ מעט את קצב הקורוזיה (כ-10% עבור עלייה של 3'C), ומבטל במידת מה את היתרון של הקיר העבה יותר. היתרון הכולל של עלייה מ-1.2 מ"מ ל-2.0 מ"מ הוא הארכת חיים מ-12 שנים לסביבות 18 שנים (לא 20 שנים בגלל האצת הטמפרטורה). חוק הירידה בתשואות מתקיים, אם כי חלש.

ההחלפה- בין עובי קיר לחיי שירות
עובי דופן (מ"מ) קצב קורוזיה ב-135 מעלות (מ"מ/שנה) גורם האצה בטמפרטורה קצב קורוזיה אפקטיבי (מ"מ/שנה) זמן עד לנקב (שנים) עלות חומר יחסי 1.0 מ"מ 0.10 1.00× 0.10 10 שנים 1.0× 1.2 מ"מ 0.10 1.02× 1.5 מ"מ {0} מ"מ {0} מ"מ {0} מ"מ {0} שנים 0.105 14.3 שנים 1.5× 1.8 מ"מ 0.10 1.08× 0.108 16.7 שנים 1.8× 2.0 מ"מ 0.10 1.10× 0.110 18.2 שנים 2.0× 2.5 מ"מ 0.10 1.15× 0.115 21.7 שנים 2.5×
לקיר בעובי 2.0 מ"מ יש חיי שירות של 18 שנים, ארוכים ב-80% מקיר בעובי 1.0 מ"מ, אך עם עלות חומר גבוהה יותר ב-100%. הקיר בגודל 1.5 מ"מ מספק 14 שנים ב-50% יותר הוצאות, לרוב הנקודה הכלכלית הטובה ביותר.

הנדסה מאחורי הקיר: בקרת טמפרטורה ואיכות גופרית
ריכוז H₂S בגופרית המותכת הוא פרמטר רגיש מאוד לקצב הקורוזיה. בגופרית טהורה (H2S נמוכה), השיעורים נמוכים עד 0.03 מ"מ לשנה. גופרית חמוצה עם H2S ופוליסולפידים גבוהים יכולה להגיע ל-0.25 מ"מ לשנה. אם איכות הגופרית ירודה, יש צורך בקיר עבה יותר, אך גישה טובה יותר היא לזרז את מיכל הגופרית בחנקן כדי להפשיט את H2S, ולהפחית את קצב הקורוזיה ב-70-80%. ניפוח חנקן 30+ שנים 1.2 מ"מ ניהול טמפרטורת קיר חשוב גם הוא: הפחתת טמפרטורת המיכל מ-135 מעלות ל-125 מעלות מפחיתה את קצב הקורוזיה בכ-40%, מה שמאפשר קירות דקים יותר.

מסקנה: תועלת לינארית-בחר בקיר כפונקציה של חיים ועלות
קיר עבה יותר מועיל עבור מחמם טבילה טיטניום במיכל גופרית מותכת ב-135 מעלות עם H2S ופוליסולפידים שכן הקורוזיה אחידה והחיים תלויים בכמות המתכת המומסת הכוללת. הכפלת עובי הדופן מכפילה בערך את חיי השירות (עם עונש קטן מהאצת הטמפרטורה). עובי דופן מומלץ: 1.2–1.5 מ"מ ל-10 שנות חיים; 1.5-1.8 מ"מ למשך 15 שנות חיים; 2.0-2.5 מ"מ ל-20 שנות חיים. אין אפקט סף (קירות עבים יותר לא עובדים). הבחירה הכלכלית הטובה ביותר היא בדרך כלל 1.5 מ"מ, מה שנותן 14 שנות חיים ב-50% יותר מקיר של 1.0 מ"מ. ספק את הריכוז המשוער של H₂S ואת טמפרטורת הפעולה ליצרן כדי לאפשר להם לחשב את קצב הקורוזיה המדויק. במקרה של שירות גופרית מותכת עובי דופן הוא משתנה עיצוב ליניארי ישיר. עבה יותר הוא טוב יותר אבל יקר יותר-בחר עבור החיים הדרושים.