באוטוקלאב הידרו-מטלורגי לעיבוד לרטריט ניקל (כלוריד גבוה, 250 מעלות, 40 בר), מדוע מעטפת טיטניום בדרגה 7 ללא תפרים עם קיר של 3.0 מ"מ עולה בביצועים של מעטפת מרותכת 2.0 מ"מ למרות העברת חום נמוכה יותר?

הסחר הבסיסי-בעיצוב מחממי טיטניום עבור אוטוקלבים בלחץ גבוה
אוטוקלאבים הידרו-מטלורגיים של ניקל לטריט פועלים בלחץ של 250 מעלות ו-40 מעלות ובריכוזי כלוריד גבוהים (10,000-50,000 ppm). מחממי טיטניום צריכים לשרוד קורוזיה גבוהה ומתח מכני. התקנים הנפוצים כוללים טיטניום דרגה 7 ללא תפרים עם דופן של 3.0 מ"מ, ודרגה 2 או דרגה 7 מרותכת עם דופן של 2.0 מ"מ. הקיר העבה יותר הפחית את העברת החום, אך למעטפת החלקה בדרגה 7 של 3.0 מ"מ יש חיי שירות טובים יותר מאשר למעטפת מרותכת של 2.0 מ"מ משתי סיבות: אין אתרי קורוזיה הקשורים לריתוך-, וההתנגדות המשופרת בפני קורוזיה של דרגה 7 בכלורידים בטמפרטורה{{19} גבוהה. ניתוח זה דן בסיבות לבחירת הצינור העבה ללא תפרים שלכאורה-צוין יתר על המידה עבור היישום הקיצוני הזה.

השפעה על שלמות מכנית: כשל ריתוך וקורוזיה של חריצים
בתנאי לחץ גבוה, חיטוי כלוריד גבוה ב-250 מעלות, צינורות טיטניום נכשלים בעיקר בתפר הריתוך או באזור מושפע חום (HAZ). ריתוך מוסיף 3 נקודות תורפה חדשות. ראשית, מתחי המתיחה הנותרים באזור הריתוך (150-250 MPa) גבוהים מהסף לסדיקת קורוזיה במתח בתנאי כלוריד. שנית, ל-HAZ יש מבנה מיקרו (Acicular alpha-prime martensite) מובהק הנוטה יותר להתפוררות מימן. שלישית, חיזוק הריתוך יוצר סדק שבו כלורידים נאספים. נתוני שדה מאוטוקלאבים של ניקל לייטרייט מצביעים על כך שצינורות מרותכים בדרגה 2 או דרגה 7 עם עובי דופן של 2.0 מ"מ נכשלים תוך 12-24 חודשים עקב סדקים או חריצים הקשורים לריתוך.

צינורות ללא תפרים דרגה 7 ללא ריתוכים אורכיים ו-HAZ. האורך המחומם הוא חלק אך ניתן לרתך את פקקי הקצה. דרגה 7 מכילה 0.12 עד 0.25 אחוז פלדיום, אשר מאציל את הטיטניום ומעלה את טמפרטורת הגלעין הקריטית בתמיסות-כלוריד גבוהות מ-80 מעלות (דרגה 2) ליותר מ-200 מעלות. דרגה 7 קורוזיה באופן אחיד בקצב של 0.05-0.10 מ"מ לשנה אך ב-250 מעלות ודרגה 2 ב-0.5-2.0 מ"מ לשנה. הקיר בגודל 3.0 מ"מ נותן קצבת קורוזיה של 30-60 שנים ב-0.05-0.10 מ"מ לשנה, הרבה מעבר לחיי תכנון החיטוי.

אובדן העברת חום: השפעה על יעילות תרמית
הקיר של 3.0 מ"מ עבה יותר ולכן יש לו התנגדות מוליכה גדולה יותר: R_cond=t/k_Ti=0.003/17=1.76 × 10⁻⁴ m²·K/W לעומת 1.18 × 10⁻⁴ עבור קיר של 2.0 מ"מ. ההבדל הוא 0.58×10-4 m 2 K/W. עבור אוטוקלאב מייצג: מחזור מאולץ (h ≈ 2000 W/m2·K) R conv=5 × 10–4 m2·K/W. התנגדות כוללת עבור 3.0 מ"מ 6.76 x 10-4 . עבור 2.0 מ"מ 6.18 x 10-4-עלייה של 9%. לקיר 3.0 מ"מ יש טמפרטורת פני השטח בסביבות 4 מעלות גבוהה יותר עבור אותו שטף חום. הפער הוא מינורי ומקובל בהתחשב ברווח העצום בעמידות בפני קורוזיה ובאמינות.

סיכום-החליפין: ציון חלק 7 3.0 מ"מ לעומת 2.0 מ"מ מרותך
ללא תפרים דרגה 7, 3.0 מ"מ פרמטר דרגה 2, השפעה הנדסית 2.0 מ"מ, מרותך
תפר ריתוך לא (ללא תפר) ריתוך אורכי כשל בצינור מרותך בריתוך תוך 12-24 חודשים
דרגה 7 (0.15% Pd) דרגה 2 (ללא Pd) עמידות לכלוריד 10-20× עבור דרגה 7
שיעור קורוזיה (250 מעלות, Cl- גבוה) 0.05 - 0.10 מ"מ לשנה 0.5 - 2.0 מ"מ לשנה דרגה 2 מהירה פי 10-40
חיים מותרים קורוזיה (3.0/2.0 מ"מ) 30 - 60 שנים 1 - 4 שנים חריגה מהחיים בעיצוב דרגה 7 ללא תפרים
העברת חום יחסית 0.91× (9% נמוך יותר) 1.00× (בסיס) פשרה הגיונית.
חיי שירות שהושגו > 5 שנים < שנתיים מועדף ללא תפרים דרגה 7
הנדסה מעבר לקיר: ריתוך קצה קצה ו-NDT
גם אם הצינור ללא תפר, יש לרתך את פקקי הקצה והאוגנים. ריתוכים אלה יכולים להיות נקודות כשל. ניתן לקבל ריתוכים חדירים מלאים עם חיזוק טוב עבור קיר 3.0 מ"מ. טיפול בחום לאחר-ריתוך (540 מעלות למשך שעה) מקטין את המתח השיורי באזור הריתוך ל<50 MPa. All welds should be 100% radiographically (RT) or phased array ultrasound examined for porosity or lack of fusion. End cap welds last as long as the seamless tube with good welding processes.

מסקנה: דרגה 7 ללא תפרים עם קיר של 3.0 מ"מ מועדף עבור שירות חיטוי אקסטרים
בעיבוד הידרו-מטלורגי של ניקל לטרייט באוטוקלאב עשיר בכלוריד ב-250 מעלות ו-40 בר, צינור טיטניום בדרגה 7 ללא תפר עם עובי דופן של 3.0 מ"מ מתפקד טוב יותר מאלטרנטיבה מרותכת בעובי 2.0 מ"מ, למרות העברת החום המופחתת, בגלל ביטול ההתנגדות המצוינת של ריתוך ה-palla ואתרי ההתנגדות המצוינים באמצעות ריתוך ה-palla. צינורות מרותכים ייכשלו תוך 12-24 חודשים עקב קורוזיה בתפר ריתוך או סדקים, אך צינור ללא תפרים בדרגה 7 יספק 5+ שנות פעילות. העונש על העברת חום של 9% מקובל על הרווח העצום באמינות ובאורך חיים. התקן המומלץ הוא צינורות טיטניום דרגה 7 ללא תפרים (ASTM B861) עם עובי דופן של 3.0 מ"מ. ריתוך חדירה מלא עבור מכסי קצה, חישול לאחר-הורדת מתח ריתוך ו-100% NDT של כל הריתוכים. אמור ליצרן איזה ריכוז של כלוריד אתה מצפה, ובאיזה טמפרטורה תפעל. עבה יותר ללא תפרים Grade 7 אינו מעל-המפרט עבור שימוש באוטוקלאב ניקל לטריט - זהו העובי המינימלי לפעולה אמינה.