לנטרול פסולת חמוצים במפעל מחממים סודה קאוסטית (10%) ב-95 מעלות, מדוע טיטניום דרגה 7 מציגה עמידות פיצוח קאוסטית מעולה מעל דרגה 2?

במפעל החמוצים מנוטרל משקאות חמוצים חומציים (HCl וחומצות אורגניות) עם סודה קאוסטית (10% NaOH) בטמפרטורות של עד 95 מעלות. טיטניום עמיד בדרך כלל לתמיסות קאוסטיות, אולם דרגה 2 טהורה מבחינה מסחרית הופכת להיות רגישה לסדיקת קורוזיה קאוסטית (CSCC) מעל 80 מעלות. לדרגה 7 (Ti-0.15Pd) יש התנגדות גבוהה בהרבה. מאמר זה מתאר את המכניקה של פיצוח קאוסטי ומדוע פלדיום נותן ביצועים טובים יותר.

הליך פיצוח קאוסטי
טיטניום רגיש לסדיקת קורוזיה טרנסגרנורית בתמיסות קאוסטיות חמות מרוכזות. המנגנון מבוסס על יצירת מיני טיטנאט מסיסים בקצה הסדק תחת מתח מתיחה: TiO₂ + 2OH⁻ → TiO₃²⁻ + H₂O. הסרט הפסיבי מומס כימית על ידי יוני הידרוקסיל והסדק מתפשט לאורך מישורי החלקה.

הטמפרטורה הקריטית עבור CSCC בדרגה 2 ב-10% NaOH היא בערך 80-85 מעלות. מתחת לטמפרטורה זו לא מתרחש פיצוח. סדקים מתפתחים באזורים של מתח מתיחה (ריתוכים, עיקולים, הרחבות יריעות צינור) תוך 100 עד 500 שעות בטמפרטורות מעל 85 מעלות. קצבי הריבוי הם 0.1-1.0 מ"מ לשעה לאחר תחילתו.

דרגה 7 מתנגדת ל-CSCC מכיוון שפלדיום מעביר את פוטנציאל הקורוזיה לפוטנציאלים אצילים יותר, ומוריד את כוח ההנעה לייצור טיטנאט. פלדיום מרוויח גם מיצירת סרט פסיבי יציב יותר ועמיד יותר בפני הידרוקסידים.

השוואת בדיקות CSCC 1
בדיקת פיצוח קורוזיה במתח של דגימות U-Bend (ASTM G30): דרגה 2 ו-7 ב-10% NaOH ב-95 מעלות מתיחה ל-300 MPa (תשואה משוערת עבור דרגה 2):

דרגה 2: סדקים מתחילים להופיע תוך 50-150 שעות. דגימות חושפות סדקים טרנסגרנוליים רבים. שבר שלם מתרחש תוך 200 עד 500 שעות.

דרגה 7: לא נראו סדקים לאחר 1,000 שעות. דגימות נשארות רקיעות ואינן מציגות סדקים פני השטח.

מתח הסף עבור CSCC בדרגה 2 ב-95 מעלות הוא בערך 100-150 MPa - הרבה מתחת למתחים השיוריים בריתוכים (150-250 MPa). לכיתה ז' יש סף אפס. הוא מתנגד להיסדק אפילו בחוזק תנובה.

התנגדות CSCC מול טמפרטורה
טמפרטורה (מעלה) דרגה 2 התנגדות CSCC דרגה 7 התנגדות CSCC
80 מעלות ללא סדקים (מתנגד) עמיד מתגבש לאחר 500-1,000 שעות 85 מעלות עמיד בפני פיצוח של 90 מעלות, 200-500 שעות 95 מעלות סדקים לאחר 50-150 שעות עמיד בפני עמידה עד 120 מעלות
פיצוח של 100 מעלות לאחר 20-50 שעות פיצוח קל לאחר 1,000+ שעות
מטריצת יישום של מחממי נטרול קאוסטיים
מצב שירות NaOH ריכוז טמפרטורת מומלצת דרגת חיים צפויה (קיר 1.65 מ"מ)
נטרול אצווה (לסירוגין) 10% 80 מעלות כיתה 2 5-8 שנים
ניטרול מתמשך 10% 85 מעלות כיתה 7 10 + שנים
ניטרול מתמשך 10% 95 מעלות כיתה 7 10+ שנים
Any service >90°C >10% >90 מעלות כיתה ז' נדרשות 10+ שנים
Any service with residual stress from welding Any >85 מעלות גר 7 10+ שנים
טיטניום דרגה 7 משמש לסודה קאוסטית של 10% ב-95 מעלות לצרכי חימום לנטרול פסולת חמוצים בתעשיית החמוצים, בשל עמידותו הטובה יותר בפני פיצוח קאוסטי. דרגה 2 תיכשל בטמפרטורה זו תוך 50-150 שעות, ללא קשר לעובי הדופן. שירות אמין בדרגה 7 - 10+ שנים בעת ביצוע ההזמנה, בחר בדרגה 7 עם משטח כבוש ומתח ריתוך מוקל. עבור מערכות קיימות דרגה 2 הפועלות מעל 85 מעלות, החלף בדרגה 7 באופן מיידי או הורד את הטמפרטורה מתחת ל-80 מעלות. הגדלת עובי הדופן או הפחתת הלחץ לא ימנעו פיצוח-דרגה 2 תיכשל בכל זאת. ההוצאה המוקדמת הגדולה יותר עבור דרגה 7 (30-40% יותר מדרגה 2) מפוצה על ידי הסרת כשלי פיצוח קטסטרופליים וזמני השבתה בלתי צפויים עבור מערכות נטרול פסולת.