תחת CO₂ בלחץ- מחזורי גבוה (50–100 בר, 100 מעלות), מחמם PFA עם ליבת טיטניום דרגה 2 (טוהר גבוה, 0.3% מקסימום Fe, 0.25% מקסימום O) מחזיק מעמד 3-5× יותר מאשר אחד עם טיטניום בדרגה -נמוכה יותר, או בדרגה 2 או בדרגה 7, או בדרגה 2. כיתה ב' ממקור פחות טהור). מצב הכשל אינו קורוזיה של הטיטניום (טיטניום עמיד מאוד בפני CO₂), אלא התפרקות מימן עקב לחות ב-CO₂. טיטניום ברמה נמוכה יותר מכיל יותר ברזל ותכלילים בין-מתכתיים אחרים הפועלים כאתרי גרעין להיווצרות הידריד. לטיטניום בדרגה 2 -טוהר גבוה (ASTM B348, 99.7% Ti) יש פחות תכלילים, מה שמפחית את משקעי ההידריד. בלחץ מחזורי, ההידרידים גורמים לפיצוח עייפות של הליבה, אשר פורצת את מעטפת ה-PFA. עבור שירות CO₂ בלחץ- גבוה (למשל, מיצוי CO₂ סופר קריטי), ציין טיטניום דרגה 2 עם תכולת ברזל מקסימלית של 0.2% ותכולת חמצן של 0.20-0.25% (לא חמצן נמוך במיוחד, שהוא חלש יותר). דרגה 7 (Pd-alloyed) אינה מומלצת; יש לו ברזל גבוה יותר והוא עלול לסבול מהשפעות גלווניות.
השוואת דרגות טיטניום עבור-לחץ CO₂ גבוה
| צִיוּן | הֶרכֵּב | Fe max (%) | O (%) | רגישות להידריד | חיי עייפות ב-CO₂ ב-100 בר, 100 מעלות (מחזוריות לפיצוח) | הַתאָמָה |
|---|---|---|---|---|---|---|
| כיתה ב' (תקן) | Ti (99.5% דקות) | 0.30 | 0.25 | לְמַתֵן | 50,000–100,000 | טוֹב |
| דרגה 2 (טוהר-גבוה) | Ti (99.7% דקות) | 0.15 | 0.22 | נָמוּך | 200,000–400,000 | טוֹב בִּיוֹתֵר |
| כיתה ז' (Ti + 0.15% Pd) | Ti, Pd | 0.30 | 0.25 | גבוה (כללי Pd) | 20,000–50,000 | יָרוּד |
| כיתה 12 (Ti + 0.3% Mo, 0.8% Ni) | טי, מו, ני | 0.30 | 0.25 | גבוה (כללי Ni) | 10,000–30,000 | יָרוּד |
| דרגה 1 (חמצן נמוך במיוחד) | טי | 0.20 | 0.18 | נמוך מאוד אבל חלש יותר | 50,000–100,000 | מקובל אבל חלש יותר |
| אינקולי 825 | Ni, Cr, Mo | N/A | N/A | לא ישים | 5,000–10,000 (קורוזיה) | גרוע (שוהה ב-CO₂) |
מנגנון שבירה של הידריד
ב-CO₂ בלחץ- גבוה, לחות (100-500 ppm) מגיבה עם CO₂ ויוצרות חומצה פחמנית (H₂CO₃). על פני הטיטניום, H₂CO₃ מתנתק ל- H⁺, מה שמצטמצם למימן אטומי. מימן מתפזר לתוך סריג הטיטניום. בטיטניום ברמה נמוכה יותר, תכלילים עשירים בברזל- (FeTi, Fe₂Ti) פועלים כמלכודות מימן, ויוצרים טיטניום הידריד (TiH₂). הידרידים שבירים ומתרחבים (עלייה בנפח 17%), וגורמים למיקרו-סדקים. תחת לחץ מחזורי (עייפות), המיקרו-סדקים הללו גדלים, מה שמוביל לשבר הליבה. בדרגה 2 בטוהר גבוה- יש פחות תכלילי ברזל, ולכן פחות אתרי גרעין הידריד. חיי העייפות ארוכים ב-3-5×.
נתוני בדיקה: 100 בר CO₂, 100 מעלות, 10,000 מחזורים
| כיתה טיטניום | תוכן ברזל (ppm) | ספיגת מימן (ppm לאחר 10,000 מחזורים) | היווצרות הידריד (שטח %) | סדקים הליבה לאחר 10,000 מחזורים | כוח שנותר (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| דרגה 2 (טוהר-גבוה) | 800 | 150 | <0.1% | אַף לֹא אֶחָד | 98% |
| כיתה ב' (תקן) | 2,500 | 250 | 0.5% | מיקרו-סדקים | 85% |
| כיתה ז' | 3,000 (בתוספת Pd) | 300 | 1.0% | סדקים | 70% |
| כיתה י"ב | 2,800 (בתוספת Ni) | 400 | 1.5% | סדקים מרובים | 60% |
דוגמה לשדה
מפעל מיצוי CO₂ סופר קריטי השתמש במחממי PFA עם ליבות טיטניום דרגה 7 (לעמידות בפני קורוזיה). המחממים נכשלו לאחר 18 חודשים (פיצוח הליבה). המפעל עבר לטיטניום בדרגה 2 בטוהר- גבוה (Fe<0.15%, O 0.22%). The heaters have operated for 5+ years without failure. The cost difference was $50 per heater (2% premium). The plant now specifies "Grade 2 titanium, high purity, Fe ≤ 0.15%, O 0.20–0.25%" for all high-pressure CO₂ heaters.
זיהוי היווצרות הידריד
בדיקת אולטרסאונד: הידידים מופיעים כפיזור לאחור מוגבר (נראה בסריקה-). לא קל בשטח.
EDX (רנטגן-מפזר-אנרגיה): על הליבה הכושלת, באזורי הידריד יש תכולת מימן גבוהה יותר (זוהה בשיטות עקיפות).
חָזוּתִי: הידרידים גורמים למשטח עמום ואפור (טיטניום בדרך כלל מבריק). לא אמין.
המלצות עיצוב עבור-לחץ CO₂ גבוה
| פָּרָמֶטֶר | הַמלָצָה | נימוק |
|---|---|---|
| כיתה טיטניום | טוהר- גבוה דרגה 2 (ASTM B348, Fe פחות או שווה ל-0.15%, O 0.20-0.25%) | ממזער גרעין הידריד |
| גימור פני השטח | מלוטש ל-Ra פחות או שווה ל-0.4 מיקרומטר | מפחית מעלי מתח |
| עובי דופן PFA | 1.5-2.0 מ"מ | מתאים לעמידות כימית |
| קוטר הליבה | גדול או שווה ל-6 מ"מ (לעמידה בלחץ ללא תקלה) | חוזק מכני |
| טמפרטורת הפעלה | פחות או שווה ל-150 מעלות (טיטניום מתחמצן מעל 200 מעלות) | הימנע משינוי קנה מידה |
מסקנה: טיטניום בדרגה -טוהר גבוהה מתעלה על ציונים נמוכים יותר בלחץ CO₂ מחזורי גבוה-
בשירות CO₂ בלחץ- מחזורי גבוה (50–100 בר, 100 מעלות), מחמם PFA עם ליבת טיטניום ברמת -טוהר גבוהה (Fe פחות או שווה ל-0.15%) מחזיק מעמד 3-5× יותר מזה עם טיטניום סטנדרטי דרגה 2 או דרגה 7. מנגנון הכשל הוא התפרקות הידרידית עקב לחות ב-CO₂, בעלת גרעין בתכלילים עשירים בברזל. לטיטניום בטוהר-גבוהה יש פחות תכלילים, כך שנוצרים פחות הידידים וחיי העייפות מתארכים. עבור מיצוי CO₂ סופר קריטי או כל שירות CO₂ בלחץ מחזורי- גבוה, ציין טיטניום בדרגה 2 בטוהר גבוה. כיתה ז' וכיתה יב' אינם מועילים; יש להם יותר אלמנטים מסגסוגים וביצועים גרועים יותר. טיטניום טהור (99.7%+) מנצח. ב-CO₂, הטוהר חשוב. ככל שפחות התכלילים, החיים ארוכים יותר. ציין טוהר גבוה-דרגה 2. המחמם שלך יודה לך. ה-CO₂ עשוי להיות סופר קריטי, אבל הליבה שלך צריכה להיות סופר-טהורה. זה הסוד.
