Per a un escalfador d'immersió de titani instal·lat en un dipòsit de sofre fos (135 graus, conté sulfur d'hidrogen i polisulfurs), per què una paret més gruixuda no és beneficiosa perquè la corrosió és uniforme i la vida està determinada per la dissolució total del ferro?

La compensació fonamental en el disseny d'escalfadors de titani per al servei en sofre fos
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 corrosió és consistent, no pica ni es trenca en una zona. La taxa és d'uns 0,05-0,15 mm/any depenent del contingut d'H2S. Com que la corrosió és uniforme, la pèrdua total de metall (aprimament de la paret) determina la vida útil de l'escalfador. Més gruix de paret significa proporcionalment més vida útil. El doble del gruix de la paret significa el doble de la vida útil. Però no hi ha cap espessor llindar per sota del qual la corrosió s'acceleri, o per sobre del qual s'atura. (Amb picat, parets més gruixudes donen rendiments decreixents.) Aquesta investigació mostra la raó de l'escalat lineal simple en cas de corrosió uniforme i un gruix òptim de la paret (1,5-2,0 mm) en cas de servei de sofre fos.

Mecanisme de corrosió uniforme: impacte en la integritat mecànica
Es va trobar que la superfície de titani reaccionava directament amb sofre i polisulfurs en sofre fos a 135 graus, donant lloc a la formació de disulfur de titani (TiS2). El recobriment de TiS 2 és relativament protector, però es dissol o es desfà lentament pel sofre fos que flueix. La velocitat de corrosió segueix una cinètica lineal: d=kt, on k és 0,05–0,15 mm/any. No hi ha cap llindar de ruptura de la pel·lícula passiva, ni temperatura crítica per a la perforació ni mecanisme per a la fissuració per corrosió per estrès. La corrosió és consistent en tota la superfície immersa.

No hi ha atac localitzat, per tant, el temps fins a la perforació és simplement: t_perf=(gruix de paret inicial) / (taxa de corrosió). Si la taxa de corrosió és de 0,10 mm/any, es perforarà una paret d'1,2 mm en 12 anys. 15 anys per a una paret d'1,5 mm. 20 anys per a una paret de 2,0 mm de gruix. La relació és una recta perfecta. Per tant, una paret més gruixuda és avantatge en proporció directa amb el material addicional. El cost del titani, però, també augmenta linealment amb el gruix. No hi ha cap benefici no lineal per anar massa gruixut.

Impacte del rendiment tèrmic: penalització per transferència de calor
Una paret més gruixuda comporta un cost tèrmic petit però real. Per a un flux de calor típic de 2,0 W/cm$^2$, la resistència convectiva domina en el sofre fos (h $\\aprox. $ 500 W/m$^2$K a causa de l'alta viscositat). Per a paret d'1,2 mm R_cond=7.1e-5; per a paret de 2,0 mm R_cond=1.18e-4. La resistència total augmenta un 8%, per tant, la temperatura de la superfície augmenta entre 2 i 3 graus. Això accelera una mica la taxa de corrosió (un 10% per a un augment de 3 °C), negant una mica l'avantatge de la paret més gruixuda. El benefici general d'augmentar d'1,2 mm a 2,0 mm és una ampliació de la vida útil de 12 anys a uns 18 anys (no 20 anys a causa de l'acceleració de la temperatura). La llei de rendiments decreixents es compleix, encara que feblement.

La compensació-entre el gruix de la paret i la vida útil
Gruix de la paret (mm) Índex de corrosió a 135 graus (mm/any) Factor d'acceleració de la temperatura Índex de corrosió efectiu (mm/any) Temps fins a la perforació (anys) Cost relatiu del material 1,0 mm 0.10 1.00× 0.10 10 anys 1,0× 1,2 mm 0.10 1.02× 0.10 1.02 × 1,2 mm 0.102 11.8} ×0.102 11.8 1. 0.105 14.3 anys 1,5× 1,8 mm 0.10 1.08× 0.108 16.7 anys 1,8× 2,0 mm 0.10 1.10× 0.110 18.2 anys 2,0× 2,5 mm 0.10 1.15× 0.115 21.7 anys 2,5×
Una paret de 2,0 mm de gruix té una vida útil de 18 anys, un 80% més llarg que una paret d'1,0 mm de gruix, però amb un 100% més de cost de material. La paret d'1,5 mm ofereix 14 anys amb un 50% més de despesa, sovint el millor punt econòmic.

Enginyeria darrere del mur: control de temperatura i qualitat del sofre
La concentració de H₂S en el sofre fos és un paràmetre molt sensible a la velocitat de corrosió. En sofre pur (baix H2S), les taxes són tan baixes com 0,03 mm/any. El sofre agre amb alt H2S i polisulfurs pot arribar a ser de 0,25 mm/any. Si la qualitat del sofre és deficient, cal una paret més gruixuda, però un millor enfocament és arrossegar el dipòsit de sofre amb nitrogen per eliminar H2S, reduint la taxa de corrosió entre un 70 i un 80 %. Escàndol de nitrogen 30+ Anys 1,2 mm La gestió de la temperatura de la paret també és important: reduir la temperatura del dipòsit de 135 graus a 125 graus redueix la taxa de corrosió al voltant d'un 40%, cosa que permet parets més primes.

Conclusió: benefici lineal-Seleccioneu Mur com a funció de vida i cost
Una paret més gruixuda és útil per a un escalfador d'immersió de titani en un dipòsit de sofre fos a 135 graus amb H2S i polisulfurs, ja que la corrosió és uniforme i la vida útil depèn de la quantitat total de metall dissolt. Doblar el gruix de la paret es duplica aproximadament la vida útil (amb una petita penalització per l'acceleració de la temperatura). Gruix de paret recomanat: 1,2–1,5 mm durant 10 anys de vida; 1,5-1,8 mm durant 15 anys de vida; 2,0-2,5 mm durant 20 anys de vida. No hi ha efecte llindar (les parets més gruixudes no funcionen). La millor opció econòmica sol ser d'1,5 mm, la qual cosa dóna 14 anys de vida a un 50% més que la paret d'1,0 mm. Proporcioneu la concentració estimada de H₂S i la temperatura de funcionament al fabricant per permetre-li calcular la taxa de corrosió exacta. En cas de sofre fos, el gruix de la paret de servei és una variable de disseny lineal directe. Més gruixut és millor, però més car-escollir per a la vida necessària.