Prevladavanje mikrostrukturnog napada nad stanjivanjem zidova
Posude za prikupljanje broma obrađuju korozivni brom-koji sadrže tokove iz različitih industrijskih operacija, uključujući tretman vode, farmaceutsku proizvodnju i hemijsku sintezu. Titanijumski grijači se često određuju za ove posude zbog opće otpornosti titana na otopine broma i bromida. Međutim, okruženje za obnavljanje broma predstavlja specifičan mehanizam korozije koji konvencionalne pristupe dizajnu čini neefikasnim: intergranularna korozija. Za razliku od jednolike korozije, koja se odvija kroz progresivno stanjivanje stijenke i njome se može upravljati specificiranjem adekvatne debljine stijenke, intergranularna korozija napada granice zrna titanijumske mikrostrukture, stvarajući mrežu finih pukotina koje mogu prodrijeti kroz zid cijevi bez obzira na njegovu debljinu. Mehanizam je vođen segregacijom nečistoća i taloženjem druge-faze na granicama zrna tokom termičke obrade, što ga čini mikrostrukturnim problemom, a ne problemom debljine. Ova analiza ispituje mehanizam intergranularne korozije u okruženjima za obnavljanje broma, objašnjava zašto debljina stijenke ne pruža zaštitu od ovog načina kvara i daje smjernice za odabir titanijuma sa odgovarajućom otpornošću na intergranularni napad.
Mehanizam intergranularne korozije u okruženju broma
Intergranularna korozija u titanijumu nastaje kada granice zrna postanu hemijski i elektrohemijski različite od unutrašnjosti zrna usled segregacije elemenata nečistoća ili taloženja drugih faza. Granice zrna, koje sadrže veće koncentracije nečistoća kao što su kiseonik, dušik, ugljik i željezo, postaju anodne u odnosu na unutrašnjost zrna. Kada su izloženi agresivnom okruženju, granični regioni zrna se prvenstveno rastvaraju, stvarajući mrežu finih pukotina koje prate mrežu granica zrna. U okruženjima za obnavljanje broma, kombinacija broma, bromovodonične kiseline i vlage stvara korozivni medij koji agresivno napada granične regije zrna podložnih titanijumskih mikrostruktura. Najosjetljivije vrste titana su one koje su termički obrađene na temperaturama koje pospješuju taloženje titanijum karbida ili nitrida na granicama zrna. Zagrijavanje titanijuma u temperaturnom opsegu od 550-750 stepeni (uobičajeni raspon za ublažavanje naprezanja ili zavarivanje) može uzrokovati taloženje TiC i TiN spojeva na granicama zrna, stvarajući anodna mjesta za intergranularni napad. Podložnost intergranularnoj koroziji nije povezana sa debljinom stijenke cijevi; napad se nastavlja kroz graničnu mrežu zrna od vanjske površine prema unutra, na kraju prodire u punu debljinu zida bez obzira da li je zid debljine 1,5 mm ili 3,0 mm. Mehanizam loma karakterizira stvaranje neprekidne mreže pukotina koja rezultira gubitkom integriteta cijevi, često bez značajnog opšteg stanjivanja zida.
Nevažnost debljine stijenke za intergranularni napad
Osnovni razlog zašto debljina zida ne pruža zaštitu od intergranularne korozije je taj što mehanizam napada ne uključuje progresivni gubitak metala koji troši volumen zida. Umjesto toga, korozija prati puteve granice zrna, koji su raspoređeni po cijeloj zapremini materijala. Brzina penetracije intergranularnog napada određena je kinetikom rastvaranja granica zrna, koja zavisi od temperature, okoline i stepena senzibilizacije granice zrna. Proces ne zahtijeva da se potroši cijela debljina zida; mreža finih pukotina koja prodire u samo 10-20% debljine zida može stvoriti dovoljno oštećenja da ugrozi integritet cijevi, posebno pod mehaničkim ili termičkim opterećenjem. Koncentracija naprezanja na vrhovima pukotine može dovesti do krhkog loma, čak i kada većina zida ostane netaknuta. Kvar je karakteristično iznenadan, bez prethodnog upozorenja praćenja debljine. Implikacija za dizajn grijača je da povećanje debljine stijenke ne daje nikakvu korist u primjenama gdje je intergranularna korozija dominantan mehanizam kvara. Grijač sa debljinom zida od 3,0 mm koji je podložan intergranularnoj koroziji će propasti jednako brzo kao onaj sa debljinom zida od 1,5 mm, jer napad ne prodire kroz zid progresivnim stanjivanjem već širenjem pukotine kroz graničnu mrežu zrna.
Sintetiziranje Trade-offa: Vodič za procjenu osjetljivosti
Odabir titanskih grijača za posude za rekuperaciju broma mora dati prednost međugranularnoj otpornosti na koroziju u odnosu na debljinu stijenke. Sljedeća matrica odabira pruža smjernice za procesne inženjere.
| Temperatura procesa i koncentracija broma | Preporučena specifikacija grijača | Osnovno obrazloženje i očekivani vijek trajanja |
|---|---|---|
| Temperatura < 80 stepeni, razrijeđeni brom (< 5%) | Titanijum 2. razreda sa certificiranim niskim sadržajem međuprostora | Nizak sadržaj intersticija smanjuje segregaciju na granicama zrna. Debljina zida je sekundarna u odnosu na kvalitet materijala. Vek trajanja 5-7 godina. |
| Temperatura 80-120 stepeni, umeren brom (5-15%) | Titanijum 7 razreda sa specificiranom veličinom zrna | Dodatak paladija obezbeđuje otpornost na koroziju. Fina veličina zrna smanjuje gustinu granice zrna i put za intergranularni napad. |
| Temperature > 120°C, High Bromine (> 15%) | Ocjena 12 ili ASTM ocjena 2 sa ekstra-niskim međuprostornim oglasima | Potrebna je poboljšana specifikacija materijala. Stabilnost granica zrna se održava na povišenim temperaturama. |
| Primjena sa zavarenom konstrukcijom | Navedena termička obrada nakon-varenja | Zavarivanjem se stvaraju osjetljiva područja u blizini zavara. Termička obrada nakon -zavarivanja može otopiti precipitate na granicama zrna. |
| Kritična aplikacija bez tolerancije za neuspjeh | Alternativni materijal (tantal ili staklo-obloženo) | Rizikom od intergranularne korozije nije moguće upravljati. Preporučuju se alternativni materijali. |
Inženjering izvan mikrostrukture: ispitivanje i osiguranje kvaliteta
Specifikacija titana za posude za rekuperaciju broma mora uključivati rigorozno ispitivanje kako bi se potvrdila otpornost na međugranularnu koroziju. ASTM G28 intergranularni test korozije preporučuje se za testiranje prihvatljivosti; test uključuje uranjanje uzorka materijala grijača u kipuću dušičnu kiselinu na određeno vrijeme i ispitivanje uzorka na intergranularni napad. Gubitak težine veći od 0,2 mg/cm² na sat ukazuje na podložnost intergranularnoj koroziji i materijal treba odbaciti. Hemijska analiza titanijuma treba da potvrdi sadržaj intersticija; kisik ispod 0,15%, ugljik ispod 0,05% i dušik ispod 0,025% ukazuju na manju osjetljivost na precipitaciju sa granica zrna. Mikrostrukturni pregled pri uvećanju od 200-500× treba da potvrdi da su granice zrna bez taloga i da je veličina zrna ujednačena. Mjerenje debljine je još uvijek vrijedno za otkrivanje opće korozije, ali glavni rizik od korozije leži na granicama zrna.
Zaključak: mikrostruktura{0}}Prvi pristup specifikaciji grijača
Odabir grijača od titanijuma za posude za rekuperaciju broma zahtijeva mikrostrukturni{0}}prvi pristup koji daje prednost međugranularnoj otpornosti na koroziju u odnosu na debljinu stijenke. Analiza pokazuje da intergranularna korozija napada granice zrna, stvarajući mrežu pukotina koja može prodrijeti kroz zid cijevi bez obzira na debljinu stijenke. Određivanjem titanijuma sa niskim sadržajem međuprostora i provjerom odsustva taloga na granicama zrna, procesni inženjeri mogu osigurati pouzdanost grijača u ovoj izazovnoj usluzi. Naglasak na kvalitetu mikrostrukture u odnosu na debljinu stijenke predstavlja drugačiji pristup specifikaciji grijača, ali onaj koji je neophodan za pouzdan rad u okruženjima za obnavljanje broma.
