בשירות מי ים חמים (60-90 מעלות, 3-4% מליחות), מחממי PFA מגנים על ליבת המתכת מפני התקפה כימית ישירה. עם זאת, פגמים מיקרוסקופיים או מסלולי חלחול מאפשרים בסופו של דבר ליוני כלוריד להגיע לליבה. ברגע שכלוריד יוצר קשר עם המתכת, פיצוח קורוזיה במתח (SCC) הופך למנגנון הכשל הדומיננטי. ליבת טיטניום דרגה 2 מתנגדת ל-SCC המושרה מכלוריד כמעט ללא הגבלת זמן, בעוד שליבת Incoloy 825 נסדקת בתוך חודשים עד כמה שנים במתח מתיחה. ההבדל נובע מיציבות הסרט הפסיבי: טיטניום יוצר שכבת TiO₂ עיקשת המתרפאת בעצמה- במהירות בנוכחות חמצן או מים. Incoloy יוצר סרט תחמוצת כרום (Cr₂O₃) פגיע להתקפת יוני כלוריד, מה שמוביל להתפרצות ותחילת סדקים שלאחר מכן. עבור מחממי PFA בסביבות מי ים חמים או מי מלח, ליבת טיטניום מאריכה את חיי השירות ב-5-10× בהשוואה ל-Incoloy.
מנגנון של כלוריד-מנגנון פיצוח מתח על אינקולי
Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) מסתמך על סרט תחמוצת כרום פסיבי לעמידות בפני קורוזיה. במי ים חמים, יוני כלוריד סופגים על פני הסרט, ומשבשים אותו באופן מקומי. המתכת החשופה מתמוססת ויוצרת בור. בקצה הבור, הסביבה החומצית והעשירה בכלוריד מונעת-הפסיביות מחדש. מתח מתיחה (מהתפשטות תרמית או מתח ייצור שיורי) מתרכז בבור, ומתחיל סדק. ברגע שנוצר סדק, הוא מתפשט בצורה טרנסגרנולית דרך ה-Incoloy. עבור מחמם PFA עם מעטה פרוץ או כלוריד חדור, ליבת Incoloy נכשלת בדרך כלל תוך 1,000-5,000 שעות ב-80 מעלות, גם אם ה-PFA נראה שלם. הסדק גורם לליבה לאבד המשכיות חשמלית או הארקה ל-PFA, מה שגורם לכשל בחימום.
טיטניום דרגה 2 (טהור מסחרית) יוצר סרט TiO₂ שיציב במיוחד בסביבות כלוריד. הסרט מתחדש כמעט באופן מיידי אם ניזוק, בתנאי שיש חמצן או מים. מי ים מכילים מספיק חמצן מומס. יוני כלוריד אינם משבשים את סרט ה-TiO₂; הם למעשה מייצבים אותו. טיטניום חסין בפני כלוריד SCC בטמפרטורות מתחת ל-120 מעלות. במי ים חמים, ליבות טיטניום לא מציגות SCC לאחר 50,000+ שעות של חשיפה, גם כשהן לחוצות מכני.
ביצועים השוואתיים במי ים חמים (80 מעלות, 3.5% NaCl, מתח מופעל על הליבה של 50 MPa)
| חומר ליבת מתכת | סרט פסיבי | זמן להתפרקות (שעות) | זמן התחלה לפיצוח (שעות) | זמן כשל (שעות) | מצב כשל דומיננטי | חיי משפחה |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Incoloy 825 (כפי-שהתקבל) | Cr₂O₃ | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | Transgranular SCC | 1.0× |
| Incoloy 825 (מפסיבי) | Cr₂O₃ | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| טיטניום דרגה 2 (חישול) | TiO₂ | >50,000 (אין) | >50,000 | >50,000 | אין (ייתכן כישלון רקיע) | >10× |
| טיטניום דרגה 7 (Pd-מסגסוגת) | TiO₂ | >50,000 | >50,000 | >50,000 | אַף לֹא אֶחָד | >10× |
| נירוסטה 316L | Cr₂O₃ | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | פיטינג + SCC | 0.3–0.5× |
עדויות שטח ממחלפי חום ימיים
תחנת כוח על החוף השתמשה במחממי PFA עם ליבות Incoloy 825 במחליף חום מקורר במי ים (80 מעלות). תנורי חימום נכשלו כל 12-18 חודשים עקב פיצוח הליבה. ניתוח שלאחר-כשל הראה חדירת כלוריד דרך חללי PFA מיקרוסקופיים ו-SCC שלאחר מכן של Incoloy. המפעל החליף את המחממים במעטפות PFA זהות אך ליבות טיטניום דרגה 2. לאחר 5 שנים של פעילות רציפה, לא אירע תקלה. ליבות הטיטניום לא הראו חריצים או סדקים. המפעל מציין כעת ליבות טיטניום עבור כל מחממי ה-PFA החשופים-למי ים.
מדוע אינקולי עדיין נפוץ ומתי זה מקובל
Incoloy נשאר בשימוש נרחב מכיוון שהוא זול יותר (כ-50% מעלות הטיטניום) ומתפקד בצורה נאותה בסביבות ללא-כלוריד או בטמפרטורות נמוכות יותר (<50°C). For freshwater or deionized water service, Incoloy cores can last 10+ years. For hot seawater, brine, or any chloride-rich environment above 60°C, Incoloy is a liability. The additional cost of titanium (typically $200–500 per heater) is recovered after one prevented failure event.
המלצות עיצוב עבור שירות כלוריד
| סְבִיבָה | ריכוז כלוריד | טֶמפֶּרָטוּרָה | חומר ליבה מומלץ | נימוק |
|---|---|---|---|---|
| מים מתוקים (דה-יונים) | <10 ppm | כֹּל | Incoloy (חסכוני)- | אין סיכון SCC |
| מים מליחים | 100–1,000 עמודים לדקה | <50°C | אינקולי | קָבִיל |
| מים מליחים | 100–1,000 עמודים לדקה | >60 מעלות | טיטניום דרגה 2 | סיכון SCC מעל 60 מעלות |
| מי ים (לולאה פתוחה) | 30,000–40,000 עמודים לדקה | כֹּל | טיטניום דרגה 2 | הֶכְרֵחִי |
| מי מלח (מאייד) | >100,000 עמודים לדקה | >70 מעלות | טיטניום דרגה 2 או דרגה 7 | הֶכְרֵחִי |
| מי ים חמים (מחליף חום) | 35,000 עמודים לדקה | 80 מעלות | טיטניום דרגה 2 | Proven life >5 שנים |
מסקנה: ליבת טיטניום מבטלת פיצוח מתח של כלוריד במי ים חמים
בשירות מי ים חמים (80 מעלות, 3.5% NaCl), מחמם PFA עם ליבת מתכת מטיטניום 2 מפגין חיים ארוכים פי 10 מליבת Incoloy 825, מכיוון שהסרט הפסיבי TiO₂ של טיטניום חסין מפני פיצוח קורוזיה הנגרמת על ידי כלוריד-. שכבת תחמוצת הכרום של Incoloy מתפרקת בכלורידים, מה שמוביל להתפרצות, התחלת סדקים וכישלון תוך חודשים עד מספר שנים. עבור כל מחמם PFA הפועל בסביבות עשירות בכלוריד- מעל 60 מעלות, ציין ליבת טיטניום. פרמיית העלות הראשונית מוחזרת באמצעות ביטול זמני השבתה ועלויות החלפה. מהנדסים הבוחרים חומרים לחימום ימיים, התפלה או מלח חייבים לתת עדיפות לטיטניום. Incoloy שייך למים מתוקים; טיטניום שולט בים.
