כיצד משפיעה גיאומטריית הסדקים (חומר האטם ומומנט המהדק) על זמן ההתחלה של קורוזיה של חריצים על צינורות חימום טיטניום בבריכות אידוי מלח?

בריכות אידוי מלח לייצור נתרן כלורי, אשלגן כלורי ומלחים נוספים מתמלחות מופעלות בטמפרטורות של 40-60 מעלות ובריכוזי כלוריד מרוויה (כ-26% NaCl) ועד לרוויה על עם משקעים של גבישי מלח. צינורות חימום טיטניום משמשים לשמירה על טמפרטורת האידוי ומניעת התגבשות של משטחי העברת חום. מצב הכשל הדומיננטי, לעומת זאת, הוא קורוזיה של חריצים במפרקי צינור-לצינור, מתחת לאטמים ותחת חיבורי מהדקים. בניגוד לבעיות קורוזיה רבות של טיטניום, שהן פונקציה בעיקר של כימיה של סגסוגת או עובי דופן, זמן התחלת קורוזיה של חריצים בשירות אידוי מלח מושפע באופן משמעותי מפרמטרי תכנון מכניים כגון גיאומטריית חריצים (רוחב ועומק הרווח) וחומר האטם ומומנט ההידוק. מאמר זה מעריך את ההשפעה של משתנים אלה על הזמן עד להופעת החריצים ומציע הצעות עיצוב להארכת חיי המחמם בשירות בריכת מלח.

מנגנון של קורוזיה של חריצים בתמיסת כלוריד רוויה.
תמיסת נתרן כלוריד רוויה או כמעט רוויה ב-50 מעלות היא אגרסיבית מאוד בגלל ריכוז כלוריד (כ-5.4 M Cl-) וחוזק יוני גבוה בתמיסה בתפזורת. אבל טיטניום הוא פסיבי במי מלח בתפזורת, מכיוון שאין pH נמוך הקשור לתכולת הכלוריד הגבוהה. תנאי המפתח לקורוזיה של נקיק הוא רעב חמצן בנקיק. הפירוק האנודי של טיטניום מייצר Ti4+ אשר עובר הידרוליזה ויוצר H+. כתוצאה מכך, ה-pH בתוך הנקיק יורד ל-2-3 כאשר החמצן מתרוקן. עבור תמיסת כלוריד רוויה, ירידה קלה ב-pH מובילה למצב שבו טיטניום אינו יכול להתפזר מחדש וקורוזיה של חריצים מתפשטת במהירות.

זמן ההתחלה, כלומר הזמן שלפני תחילת תקיפה מתמשכת של נקיק, קשור לקצב דלדול החמצן ולקצב ירידת ה-pH מתחת לסף ה-repassivation. שניהם נשלטים על ידי הגיאומטריה של החריץ, החדירות של חומר האטם לחמצן ולחץ המגע בין האטם למשטח הטיטניום.

השפעות של רוחב פער החריצים
מבין הפרמטרים הגיאומטריים, הקריטי ביותר הוא רוחב הפער בין צינור הטיטניום למשטח הנגדי (יריעת צינור, אטם או מהדק). עבור רוחב מרווח מסוים קצב הדיפוזיה של החמצן לתוך הנקיק הוא פרופורציונלי לקוביית הפער (חוק פיק לתעלה צרה). מרווחים גדולים יותר מאפשרים מילוי חמצן, אשר מעכב את הדלדול ומאריך את זמן ההתחלה. פערים קטנים יותר מובילים לדלדול חמצן רב יותר.

בדיקה מבוקרת של דגימות טיטניום דרגה 2 עם סדקים מלאכותיים ברוחב רווח מבוקר, ב-NaCl רווי ב-50 מעלות, pH 7.0, הראתה את זמני ההתחלה הבאים (זמן להתקפה גלויה בהגדלה של פי 10):

ברוחב רווח של 0.05 מ"מ (אופייני לאטם PTFE בעל מומנט- היטב כנגד אוגן מעובד), דלדול החמצן מתרחש תוך 24-48 שעות והתקפת חריצים מתחילה לאחר 50-100 שעות. ברוחב רווח של 0.10 מ"מ מתחילה מתרחשת ב-200-300 שעות. ברוחב רווח של 0.25 מ"מ, ההתחלה נמשכת עד 500 עד 1000 שעות. דיפוזיה של חמצן מאפשרת לשמור על פסיביות ומכאן שלא מתגלה התקפת חריצים ברוחב רווח של 0.50 מ"מ לאחר 5,000 שעות. ברוחב מרווח של יותר מ-1.0 מ"מ הגיאומטריה אינה עוד סדק אלא מרווח פתוח. שום תקיפה לא מתרחשת.

בפועל זה אומר שחריצים הדוקים מאוד (פחות מ-0.1 מ"מ) הם המסוכנים ביותר. על המתכננים להפוך את הפערים לרחבים יותר מ-0.5 מ"מ (אטמים עבים או ניתוקים) או לבטל את הפערים (חיבורים מרותכים).

השפעות של עומק נקיק
היקף החריץ (המרחק שהרווח חודר מתחת לאטם או לתוך יריעת הצינור) קובע את כמות המשטח המדולדל של החמצן- הזמינה לפירוק אנודי. ההתנעה מואצת עבור חריצים עמוקים יותר מכיוון שיש להם אזורי- מדולדל חמצן גדולים יותר ונתיבי דיפוזיה ארוכים יותר עבור רוחב רווח נתון.

עבור רוחב רווח נתון של 0.1 מ"מ, זמן הפתיחה מצטמצם מ-300 שעות ל-100 שעות כאשר עומק החריץ גדל מ-5 מ"מ ל-20 מ"מ. בעומק של 50 מ"מ, ההתחלה מתרחשת ב-40-50 שעות. הימנע מעומקי סדקים יותר מ-15 מ"מ עבור שירות מאייד מלח. חיבורי צינור-ל-צינור צריכים להיות מתוכננים עם חריץ רדוד (עומק של פחות מ-10 מ"מ) או להיות מרותכים לכל אורכם כדי לחסל את החריץ.

חדירות של חומר האטם
חומרי האטם משתנים בחדירותם לחמצן וביכולתם לספוג תמלחת, שניהם משפיעים על הכימיה של החריצים. אטמים לא-נקבוביים ולא-חדירים (PTFE, PEEK, מתכת) מספקים אטימה הדוקה ואינם מאפשרים דיפוזיה של חמצן דרך האטם עצמו, ולכן מאיצים את דלדול החמצן בתוך הנקיק. גומי רך, EPDM, סיליקון (אטמים נקבוביים וחדירים): מעט חמצן יכול להתפזר דרך גוף האטם כדי להחליף את החריץ ולעכב את ההתחלה.

חומרי אטם שונים נבדקו (פער 0.1 מ"מ, עומק 10 מ"מ, NaCl רווי ב-50 מעלות) והתוצאות הן:

אטם PTFE (אטום) – מתחיל ב-200-300 שעות. גומי EPDM (חדירות בינונית): הופעה ב-400-600 שעות. גומי סיליקון (חדירות גבוהה) 800 עד 1,200 שעות להתחלה. ללא אטם (מגע ממתכת-למתכת, למעשה אפס פער, ממשק נקבובי) התחלה מעל 2000 שעות עם התקפה מתונה בלבד.

החיסרון-הוא שאטמים חדירים יספגו תמלחת ויתנפחו, מה שיכול לשנות את גיאומטריית הפער לאורך זמן. סיליקון ו-EPDM מתפרקים על פני תקופות זמן ארוכות (2-5 שנים) במלח חמה וצריך להחליף אותם.

מומנט הידוק ולחץ מגע
הלחץ המופעל על ממשק האטם והטיטניום הוא פונקציה של המומנט המשמש להדק את המהדק. יותר מומנט פירושו אטימות הדוקות יותר, כלומר רוחב הרווח האפקטיבי מצטמצם ופחות חמצן מתפזר. מומנט נמוך יותר (תחת מגבלות האיטום) מביא לפער אפקטיבי גדול יותר, ולכן התחלת חריצים איטית יותר.

בדיקת אטם PTFE על אוגן צינור בקוטר 50 מ"מ עם NaCl רווי ב-50 מעלות נותן:

מומנט 20 N·m (נמוך) מרווח אפקטיבי 0.15-0.20 מ"מ החל 400-600 שעות. מומנט 40 ננומטר (סטנדרטי) מרווח אפקטיבי 0.08-0.12 מ"מ התחלה 200-300 שעות מומנט 60 ננומטר (גבוה): מרווח אפקטיבי 0.04-0.07 מ"מ, התחלה 50-100 שעות.

הדרך הטובה ביותר לטפל במאייד מלח היא להפעיל את כמות המומנט הקטנה ביותר שתספק אטימה, בדרך כלל 50 עד 60 אחוז מהמקסימום המוצע עבור חומר האטם. טכניקה זו מגדילה את הפער האפקטיבי ללא דליפה.

מטריצת יישום עיצוב חריצים עבור מאיידי מלח
פרמטר עיצוב ערך מועדף עבור מנגנון חיים ארוכים זמן צפי עד תחילת החריץ (NaCl רווי, 50 מעלות)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5,000 שעות (ללא התקפה)
רוחב הפער (אם<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
עומק חריץ<10 mm Anode area limited 300-500 hours
חומר אטם EPDM או סיליקון (חדיר) פיזור חמצן אטם 400 עד 1,200 שעות.
מומנט מהדק Min. מומנט איטום (50-60% מהמקסימום) מקסם את המרווח האפקטיבי פי 2-3 ממומנט גבוה
צינורות מפרקים-ריתוכים של צינורות (חדירה מלאה) ללא תקיפה של חריצים (רק חריצים) מסיר חריץ
עצות מעשיות על מחממי מאייד מלח
בבריכות אידוי מלח, העיצוב הטוב ביותר עבור צינורות חימום טיטניום הוא העיצוב שבו כל הסדקים מסולקים על ידי צימודים של צינור מרותך-לשלם-ל-שפופרת. כאשר נדרשים חיבורים ניתנים להסרה, השתמשו באטם מחורר או מצולע כדי לשמור על הפרדה, וציין רוחב רווח של 0.20 עד 0.30 מ"מ. השתמש באטמי EPDM או סיליקון (מדורגים למלח של 60 מעלות) במקום PTFE כדי לנצל את חדירות החמצן שלו. החל את מומנט ההידוק המינימלי שימנע דליפה כפי שנקבע על ידי בדיקת בועות. עצב אוגנים עם שקעים רדודים כדי להגביל את עומק החריצים ל-10 מ"מ או פחות. בחירות עיצוב אלו מגדילות את זמן תחילת החריצים מ-200-300 שעות (אטם PTFE סטנדרטי, מומנט גבוה) ל-2,000-5,000 שעות לפני הצורך בבדיקה, או 3-6 חודשים של פעולה רציפה. תזמן בדיקות שנתיות למחמם ונקה כל התקפת נקיק מתחילה על ידי ליטוש קל לפעולת בריכת מלח 24/7. עבור יישומים עם תקופת תחזוקה של 5 שנים, יש צורך במפרקים מרותכים, גם אם הגיאומטריה מותאמת.