Per un riscaldatore ad immersione in titanio installato in un serbatoio di zolfo fuso (135 gradi, contiene idrogeno solforato e polisolfuri), perché una parete più spessa non è vantaggiosa perché la corrosione è uniforme e la vita è determinata dalla dissoluzione totale del ferro?

Il compromesso fondamentale nella progettazione dei riscaldatori in titanio per il servizio in zolfo fuso
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 La corrosione è uniforme, non presenta vaiolature o fessurazioni in un'area. Il tasso è di circa 0,05-0,15 mm/anno a seconda del contenuto di H2S. Poiché la corrosione è uniforme, la perdita totale di metallo (assottigliamento delle pareti) determina la durata del riscaldatore. Un maggiore spessore delle pareti significa proporzionalmente una maggiore durata. Il doppio dello spessore della parete significa il doppio della durata. Ma non esiste uno spessore soglia al di sotto del quale la corrosione accelera, o al di sopra della quale si ferma. (Con la vaiolatura, pareti più spesse danno rendimenti decrescenti.) Questa ricerca mostra la ragione del semplice ridimensionamento lineare in caso di corrosione uniforme e dello spessore ottimale della parete (1,5-2,0 mm) in caso di servizio con zolfo fuso.

Meccanismo di corrosione uniforme: impatto sull'integrità meccanica
È stato scoperto che la superficie del titanio reagisce direttamente con lo zolfo e i polisolfuri nello zolfo fuso a 135 gradi, portando alla formazione di disolfuro di titanio (TiS2). Il rivestimento TiS 2 è relativamente protettivo ma viene lentamente dissolto o scheggiato dallo zolfo fuso che scorre. La velocità di corrosione segue una cinetica lineare: d=kt, dove k è 0,05–0,15 mm/anno. Non esiste una soglia di rottura passiva del film, nessuna temperatura critica per la vaiolatura e nessun meccanismo per la tensocorrosione. La corrosione è consistente su tutta la superficie immersa.

Non c'è attacco localizzato, quindi il tempo necessario alla perforazione è semplicemente: t_perf=(spessore iniziale della parete) / (velocità di corrosione). Se il tasso di corrosione è 0,10 mm/anno, una parete di 1,2 mm verrà perforata in 12 anni. 15 anni per una parete di 1,5 mm. 20 anni per una parete di 2,0 mm di spessore. La relazione è una linea retta perfetta. Pertanto una parete più spessa è vantaggiosa in proporzione diretta al materiale extra. Anche il costo del titanio, tuttavia, aumenta linearmente con lo spessore. Non vi è alcun vantaggio non lineare nel diventare eccessivamente spessi.

Impatto sulle prestazioni termiche: penalità nel trasferimento di calore
Un muro più spesso comporta un costo termico piccolo ma reale. Per un flusso di calore tipico di 2,0 W/cm$^2$, la resistenza convettiva prevale nello zolfo fuso (h $\\circa$ 500 W/m$^2$K a causa dell'elevata viscosità). Per pareti da 1,2 mm R_cond=7.1e-5; per parete da 2,0 mm R_cond=1.18e-4. La resistenza totale aumenta dell'8%, quindi la temperatura superficiale aumenta di 2–3 gradi. Ciò accelera leggermente il tasso di corrosione (circa il 10% per un aumento di 3°C), annullando in qualche modo il vantaggio della parete più spessa. Il vantaggio complessivo derivante dall'aumento da 1,2 mm a 2,0 mm è un'estensione della vita da 12 anni a circa 18 anni (non 20 anni a causa dell'accelerazione della temperatura). La legge dei rendimenti decrescenti vale, anche se debolmente.

Il compromesso-tra spessore della parete e durata
Spessore parete (mm) Tasso di corrosione a 135 gradi (mm/anno) Fattore di accelerazione della temperatura Tasso di corrosione effettiva (mm/anno) Tempo di perforazione (anni) Costo relativo del materiale 1,0 mm 0.10 1.00× 0.10 10 anni 1,0× 1,2 mm 0.10 1.02× 0.102 11.8 anni 1,2× 1,5 mm 0.10 1.05× 0.105 14.3 anni 1,5× 1,8 mm 0.10 1.08× 0.108 16.7 anni 1,8× 2,0 mm 0.10 1.10× 0.110 18.2 anni 2,0× 2,5 mm 0.10 1.15× 0.115 21.7 anni 2,5×
Una parete di 2,0 mm di spessore ha una durata di 18 anni, l'80% in più rispetto a una parete di 1,0 mm di spessore, ma con il 100% in più di costo del materiale. La parete da 1,5 mm garantisce 14 anni con il 50% di spesa in più, spesso il miglior punto economico.

Ingegneria dietro il muro: controllo della temperatura e qualità dello zolfo
La concentrazione di H₂S nello zolfo fuso è un parametro molto sensibile per la velocità di corrosione. Nello zolfo puro (basso contenuto di H2S), i tassi sono pari a 0,03 mm/anno. Lo zolfo acido con elevati livelli di H2S e polisolfuri può raggiungere 0,25 mm/anno. Se la qualità dello zolfo è scarsa, è necessaria una parete più spessa, ma un approccio migliore consiste nel spruzzare azoto nel serbatoio dello zolfo per eliminare H2S, riducendo il tasso di corrosione del 70–80%. Risparmio di azoto 30+ Anni 1,2 mm Anche la gestione della temperatura delle pareti è importante: diminuendo la temperatura del serbatoio da 135 gradi a 125 gradi si riduce il tasso di corrosione di circa il 40%, consentendo pareti più sottili.

Conclusione: vantaggio lineare-Seleziona il muro come funzione della vita e del costo
Una parete più spessa è utile per un riscaldatore ad immersione in titanio in un serbatoio di zolfo fuso a 135 gradi con H2S e polisolfuri poiché la corrosione è uniforme e la durata dipende dalla quantità totale di metallo disciolto. Raddoppiando lo spessore della parete si raddoppia all'incirca la durata (con una piccola penalità dovuta all'accelerazione della temperatura). Spessore parete consigliato: 1,2–1,5 mm per 10 anni di vita; 1,5–1,8 mm per 15 anni di vita; 2,0–2,5 mm per 20 anni di vita. Non esiste alcun effetto soglia (i muri più spessi non funzionano). La migliore scelta economica è solitamente quella da 1,5 mm, che garantisce 14 anni di durata con il 50% in più rispetto a una parete da 1,0 mm. Fornire al produttore la concentrazione stimata di H₂S e la temperatura operativa per consentire loro di calcolare l'esatto tasso di corrosione. In caso di servizio con zolfo fuso, lo spessore della parete è una variabile di progettazione lineare diretta. Più spesso è meglio, ma è più costoso-sceglilo per le necessità di vita.