Щавлева кислота (H₂C₂O₄) у концентрації 10% і при високій температурі (60–80 градусів) зазвичай використовується для очищення металу, видалення іржі та деяких хімічних процесів. Титан виявляє граничну стійкість у щавлевій кислоті; пасивна плівка стабільна лише за ретельно контрольованих умов. Коли титанова оболонка піддається циклічному нагріванню й охолодженню-підвищується до робочої температури та знижується до температури навколишнього середовища-теплові напруги поєднуються з хімічним впливом, щоб створити чіткий режим руйнування: розтріскування внаслідок термічного циклу. Швидкість зміни температури (градуси за хвилину зміни температури) безпосередньо визначає величину термічної напруги та сукупного пошкодження за цикл. Швидші темпи нарощування створюють більші миттєві температурні градієнти по стінці труби, збільшуючи напругу та зменшуючи кількість циклів до виникнення тріщини.

Механізм крекінгу термічного циклу в щавлевій кислоті

Під час нагрівання внутрішня стінка титанової трубки розширюється раніше зовнішньої стінки через градієнт температури. Це диференціальне розширення створює напругу розтягування на зовнішній поверхні. У 10% щавлевої кислоти при 70 градусах пасивна плівка вже піддається хімічному впливу. Розтягуюча напруга відкриває мікроскопічні дефекти в плівці, дозволяючи кислоті досягати чистого титану. У цих точках напруги відбувається локалізоване розчинення. Після охолодження зовнішня поверхня скорочується швидше, створюючи напругу розтягування на внутрішній поверхні. Циклічна-назад-напруга поступово поглиблює місця атаки в мікро-тріщини. Як тільки тріщина досягає критичної глибини (зазвичай 10-20% товщини стінки), вона швидко поширюється через решту стіни. Швидкість зміни контролює величину термічної напруги; більш швидке підвищення температури збільшує температурний градієнт і прискорює утворення тріщин.

Кількісний зв'язок між швидкістю нарощування та циклами до відмови

Контрольоване циклічне випробування в 10% розчині щавлевої кислоти при 70 градусах (цикл: від 20 градусів до 70 градусів і назад) встановило наступні цикли до руйнування титану 2 класу з товщиною стінки 1,2 мм:

Швидкість підвищення 0,5 градуса/хв (дуже повільно, 100 хвилин для нагрівання, 100 для охолодження): Термічна напруга 15–20 МПа. Цикли до відмови 2500–3500. Поява тріщин відбувається після 2000 циклів. Тріщини поширюються міжзеренно.

Швидкість підвищення 2 градуси/хв (повільно, 25 хвилин нагрівання, 25 охолодження): Термічна напруга 35–45 МПа. Цикли до відмови 800–1200. Типовий для добре{6}}контрольованих пакетних процесів.

Швидкість підвищення 5 градусів/хв (помірна, 10 хвилин тепло, 10 холод): Термічна напруга 60–75 МПа. Циклів до відмови 300–500. Поява тріщин після 150–250 циклів.

Швидкість підвищення 10 градусів/хв (швидко, 5 хвилин нагрівання, 5 охолодження): Термічна напруга 100–120 МПа. Цикли до відмови 80–150. Тріщини поширюються трансзерно. Не рекомендується.

Швидкість підвищення 20 градусів/хв (дуже швидко, 2,5 хвилини нагрівання, 2,5 хвилини охолодження): Термічна напруга перевищує 150 МПа. Цикли до руйнування менше 30. Умови термічного удару викликають миттєве мікро-розтріскування.

Вплив товщини стінки та зміни температури

Взаємодія швидкості підвищення залежить від товщини стінки та зміни температури. Більш товста стінка (1,5 мм) зазнає більшої термічної напруги за тієї самої швидкості наростання, оскільки температурний градієнт у товщій секції більший. Для швидкості зміни 5 градусів/хв кількість циклів до відмови зменшується з 400 (стінка 1,2 мм) до 250 (стінка 1,5 мм) до 150 (стінка 2,0 мм). Більше коливання температури (наприклад, від 20 градусів до 90 градусів проти . 20 градусів до 70 градусів) також зменшує кількість циклів до відмови пропорційно квадрату різниці температур.

Посібник із вибору швидкості нарощування для служби щавлевої кислоти

У наведеній нижче таблиці наведено основу для прийняття рішень щодо вибору або керування швидкістю підвищення температури на основі бажаного терміну служби та геометрії нагрівача:

Розробка поза рампінговим контролем швидкості

Сорт титанового сплаву значно змінює стійкість до розтріскування внаслідок термічного циклу. Клас 7 (стабілізований-паладієм) зберігає кращу стабільність пасивної плівки під час термоциклування, збільшуючи цикли до відмови на 50–100% за тієї самої швидкості наростання. Клас 12 (молібден-нікель) забезпечує проміжне покращення на 30–50%. Концентрація щавлевої кислоти також має значення; при 5% щавлевої кислоти цикли до відмови збільшуються в 2–3 рази порівняно з 10%. При 15% щавлевої кислоти цикли до відмови зменшуються на 60–70%. Спосіб нагрівання впливає на підвищення температури: електричні обігрівачі можуть розвиватися швидше, ніж системи з паровим{20}}нагріванням. Якщо з міркувань процесу потрібне швидке підвищення температури, укажіть нижчу щільність ват (10 Вт/см² замість 20 Вт/см²), щоб зменшити температурний градієнт через стіну за будь-якої заданої швидкості підвищення.

Складання обґрунтованої специфікації

Коли ви вказуєте нагрівач з титанової оболонки для циклічної роботи в 10% щавлевій кислоті, включіть вимогу щодо максимальної швидкості нагрівання в документацію з керування процесом. Для типових пакетних операцій, які передбачають 1000 циклів протягом терміну експлуатації нагрівача, вкажіть максимальну швидкість зміни 2 градуси/хв. Установіть програмований терморегулятор із обмеженням-швидкості зміни температури, щоб запобігти швидкому нагріванню або охолодженню-спричиненим оператором. Для швидкого охолодження природна конвекція зазвичай повільніша, ніж примусове охолодження; уникайте гасіння нагрівача холодною водою або холодною кислотою, оскільки це створює швидкості охолодження, що перевищують 20 градусів/хв. Під час роботи слідкуйте за електричним опором нагрівача; збільшення на 5–10% вказує на утворення мікро-тріщин, які потребують огляду. Якщо тріщини виявлено перед-проникненням через стіну, обігрівач можна вилучити з експлуатації без технологічного забруднення. Контролюючи швидкість підвищення температури як критичний робочий параметр, інженер продовжує циклічний термін служби титанових нагрівачів у незначно корозійних середовищах щавлевої кислоти.