In che modo la geometria della fessura (materiale della guarnizione e coppia di serraggio) influenza il tempo di inizio della corrosione interstiziale sui tubi di riscaldamento in titanio negli stagni di evaporazione del sale?

Gli stagni di evaporazione del sale per la produzione di cloruro di sodio, cloruro di potassio e altri sali dalle salamoie funzionano a temperature di 40-60 gradi e concentrazioni di cloruro dalla saturazione (circa 26% NaCl) alla sovrasaturazione con precipitazione di cristalli di sale. I tubi riscaldanti in titanio vengono utilizzati per mantenere la temperatura di evaporazione e prevenire la cristallizzazione delle superfici di trasferimento del calore. La modalità di guasto dominante, tuttavia, è la corrosione interstiziale in corrispondenza delle giunzioni tra tubo-e piastra tubiera, sotto le guarnizioni e sotto i collegamenti dei morsetti. A differenza di molti problemi di corrosione del titanio che dipendono principalmente dalla chimica della lega o dallo spessore delle pareti, il tempo di inizio della corrosione interstiziale nel servizio di evaporazione del sale è influenzato in modo significativo dai parametri di progettazione meccanica come la geometria della fessura (larghezza e profondità dello spazio) e il materiale della guarnizione e la coppia di serraggio. Questo documento valuta l'effetto di queste variabili sul tempo di insorgenza delle fessure e offre suggerimenti di progettazione per prolungare la durata del riscaldatore nel servizio di stagni salini.

Meccanismo di corrosione interstiziale nella salamoia satura di cloruro.
La salamoia satura o quasi satura di cloruro di sodio a 50 gradi è molto aggressiva a causa della concentrazione di cloruro (circa 5,4 M Cl-) e dell'elevata forza ionica nella soluzione sfusa. Ma il titanio è passivo nella salamoia sfusa, poiché non esiste un pH basso associato all’alto contenuto di cloruro. La condizione chiave per la corrosione interstiziale è la carenza di ossigeno nella fessura. La dissoluzione anodica del titanio produce Ti4+ che si idrolizza per formare H+. Di conseguenza, il pH all'interno della fessura diminuisce a 2-3 quando l'ossigeno è esaurito. Per la salamoia satura di cloruro, una lieve riduzione del pH porta a una condizione in cui il titanio non può ripassivarsi e la corrosione interstiziale si propaga rapidamente.

Il tempo di inizio, cioè il tempo prima che inizi l'assalto interstiziale persistente, è correlato al tasso di esaurimento dell'ossigeno e al tasso di caduta del pH al di sotto della soglia di ripassivazione. Entrambi sono controllati dalla geometria della fessura, dalla permeabilità del materiale della guarnizione all'ossigeno e dalla pressione di contatto tra la guarnizione e la superficie in titanio.

Effetti della larghezza della fessura
Tra i parametri geometrici, il più critico è l'ampiezza dello spazio tra il tubo in titanio e la superficie opposta (piastra tubiera, guarnizione o morsetto). Per una particolare larghezza dello spazio la velocità di diffusione dell'ossigeno nella fessura è proporzionale al cubo dello spazio (legge di Fick per un canale stretto). Gap più ampi consentono il rifornimento di ossigeno, che ritarda l'esaurimento e prolunga il tempo di inizio. spazi più piccoli portano a un maggiore consumo di ossigeno.

L'esame controllato di campioni di titanio di grado 2 con fessure artificiali di larghezza controllata, in NaCl saturo a 50 gradi, pH 7,0, ha mostrato i seguenti tempi di inizio (tempo di attacco visibile con ingrandimento 10x):

Con una larghezza dello spazio di 0,05 mm (tipica di una guarnizione in PTFE ben-serrata contro una flangia lavorata), l'esaurimento dell'ossigeno avviene in 24-48 ore e l'attacco interstiziale inizia in 50-100 ore. Con un gap di larghezza pari a 0,10 mm l'innesco avviene dopo 200-300 ore. Con una larghezza della fessura di 0,25 mm, l'inizio si estende da 500 a 1000 ore. La diffusione dell'ossigeno consente di mantenere la passività e quindi non viene rilevato alcun attacco interstiziale ad una larghezza dello spazio di 0,50 mm dopo 5.000 ore. Con una larghezza della fessura superiore a 1,0 mm la geometria non è più una fessura ma una fessura aperta. Non avviene alcun attacco.

In pratica ciò significa che le fessure molto strette (meno di 0,1 mm) sono le più pericolose. I progettisti dovrebbero rendere gli spazi più ampi di 0,5 mm (guarnizioni spesse o distanziatori) o eliminare gli spazi (giunti saldati).

Effetti della profondità della fessura
L'estensione della fessura (la distanza che lo spazio penetra sotto la guarnizione o nella piastra tubiera) determina la quantità di superficie impoverita di ossigeno-disponibile per la dissoluzione anodica. L'innesco è accelerato per le fessure più profonde perché hanno zone più povere di ossigeno-e percorsi di diffusione più lunghi per una data larghezza dello spazio.

Per una data larghezza dello spazio di 0,1 mm, il tempo di inizio viene ridotto da 300 ore a 100 ore poiché la profondità della fessura aumenta da 5 mm a 20 mm. A una profondità di 50 mm, l'innesco avviene dopo 40-50 ore. Evitare profondità delle fessure superiori a 15 mm per la manutenzione dell'evaporatore di sale. Le giunzioni tra tubo-e piastra tubiera devono essere progettate per avere una fessura poco profonda (profonda meno di 10 mm) o per essere saldate ovunque per eliminare la fessura.

Permeabilità del materiale della guarnizione
I materiali delle guarnizioni variano nella loro permeabilità all'ossigeno e nella loro capacità di assorbire la salamoia, entrambi i quali influenzano la chimica delle fessure. le guarnizioni non-porose e non-permeabili (PTFE, PEEK, metallo) forniscono una tenuta ermetica e non consentono la diffusione dell'ossigeno attraverso la guarnizione stessa, accelerando quindi l'esaurimento dell'ossigeno all'interno della fessura. Gomma morbida, EPDM, silicone (guarnizioni porose e permeabili): parte dell'ossigeno può diffondersi attraverso il corpo della guarnizione per sostituire la fessura e ritardare l'inizio.

Sono stati testati diversi materiali per guarnizioni (spazio 0,1 mm, profondità 10 mm, NaCl saturo a 50 gradi) e i risultati sono:

Guarnizione in PTFE (impermeabile) – inizio a 200-300 ore. Gomma EPDM (permeabilità moderata): inizio dopo 400–600 ore. Gomma siliconica (alta permeabilità) da 800 a 1.200 ore per l'avvio. Nessuna guarnizione (contatto metallo--metallo, gap effettivamente pari a zero, interfaccia porosa) Iniziazione superiore a 2000 ore con attacco solo moderato.

Il compromesso- è che le guarnizioni permeabili assorbono la salamoia e si gonfiano, il che può modificare la geometria dello spazio nel tempo. Il silicone e l'EPDM si deteriorano per lunghi periodi di tempo (2-5 anni) in salamoia calda e devono essere sostituiti.

Coppia di serraggio e pressione di contatto
La pressione esercitata sulla guarnizione e sull'interfaccia in titanio è funzione della coppia utilizzata per serrare la fascetta. Una coppia maggiore significa tenute più strette, il che significa che la larghezza effettiva dello spazio è ridotta e viene diffuso meno ossigeno. Una coppia inferiore (sotto i limiti di tenuta) si traduce in uno spazio effettivo leggermente maggiore, quindi un inizio della fessura più lento.

Il test di una guarnizione in PTFE su una flangia di tubo da 50 mm di diametro con NaCl saturo a 50 gradi dà:

Coppia 20 N·m (bassa) Distanza effettiva 0,15-0,20 mm Inizio 400-600 ore. Coppia 40 Nm (standard) Distanza effettiva 0,08-0,12 mm Inizio 200-300 ore Coppia 60 N·m (alta): distanza effettiva 0,04-0,07 mm, avvio 50-100 ore.

Il modo migliore per riparare un evaporatore di sale è applicare la minima quantità di coppia in grado di garantire una tenuta, solitamente dal 50 al 60% del massimo suggerito per il materiale della guarnizione. Questa tecnica aumenta lo spazio effettivo senza perdite.

Matrice applicativa per la progettazione di fessure per evaporatori di sale
Parametro di progettazione Valore preferito per il meccanismo di durata estesa Tempo previsto per l'innesco della fessura (NaCl saturo, 50 gradi)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5.000 ore (nessun attacco)
Larghezza dello spazio (se<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
Profondità della fessura<10 mm Anode area limited 300-500 hours
Materiale della guarnizione EPDM o silicone (permeabile) Diffusione dell'ossigeno della guarnizione Da 400 a 1.200 ore.
Coppia di serraggioMin. coppia di tenuta (50-60% del massimo) Massimizza lo spazio effettivo 2-3 volte più lungo della coppia elevata
Tubo di giunzione-lamiera tubieraSaldatura (piena penetrazione)Nessun assalto alle fessure (solo vaiolatura) Rimuove la fessura
Consigli pratici sui riscaldatori evaporatori di sale
Negli stagni di evaporazione del sale, il design migliore per i tubi riscaldanti in titanio è quello in cui tutte le fessure vengono eliminate mediante accoppiamenti del tubo saldato a penetrazione completa-alla-piastra tubiera. Laddove siano necessarie connessioni staccabili, utilizzare una guarnizione perforata o nervata per preservare la separazione e specificare una larghezza dello spazio compreso tra 0,20 e 0,30 mm. Utilizzare guarnizioni in EPDM o silicone (classificate per salamoia a 60 gradi) invece del PTFE per sfruttare la sua permeabilità all'ossigeno. Applicare la coppia di serraggio minima necessaria a prevenire le perdite, come determinato dal test delle bolle. Progettare flange con incavi poco profondi per limitare la profondità della fessura a 10 mm o meno. Queste scelte progettuali aumentano il tempo di avvio della fessura da 200-300 ore (guarnizione in PTFE standard, coppia elevata) a 2.000-5.000 ore prima che sia necessaria l'ispezione, o 3-6 mesi di funzionamento continuo. Pianificare le ispezioni annuali del riscaldatore e pulire qualsiasi attacco incipiente delle fessure mediante lucidatura leggera per il funzionamento dello stagno salino 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per applicazioni con periodo di manutenzione di 5 anni sono necessari giunti saldati, anche se la geometria è ottimizzata.