Warum wird bei einem Heizrohr aus Titan, das zum Vorheizen einer 40-prozentigen Natriumhydroxidlösung auf 80 Grad verwendet wird, trotz gleicher Wandstärke Titan der Güteklasse 7 gegenüber Güteklasse 2 bevorzugt?

Die grundlegenden Kompromisse-bei der Auswahl der Titansorte für den Einsatz in ätzenden Umgebungen
Titan ist nicht nur in den meisten wässrigen Lösungen sehr korrosionsbeständig, es weist auch eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in heißen, konzentrierten Laugenlösungen wie Natriumhydroxid (NaOH) auf. Titan der Güteklasse 2 (handelsüblich rein) bildet in neutralen und sauren Lösungen einen Schutzfilm aus Titandioxid, der Oxidfilm löst sich jedoch auf und erzeugt in konzentrierter Lauge bei hoher Temperatur lösliches Natriumtitanat. Dies führt zu einer gleichmäßigen Ausdünnung und, was noch wichtiger ist, zu einer Wasserstoffabsorption, die zur Versprödung führt. Titan (Ti-0,15 % Pd) der Güteklasse 7 enthält Palladium, ein Edelmetall, das das Korrosionspotential auch in reduzierenden oder ätzenden Umgebungen in den passiven Bereich verschiebt. Der Einschluss von Palladium ermöglicht es Grad 7, in 40 %iger NaOH bei 80 Grad einen dauerhaften Passivfilm zu bilden, während Grad 2 mit unerwünschter Geschwindigkeit korrodiert. Diese Analyse vergleicht die beiden Güten bei gleicher Wandstärke und warum Güte 7 ausgewählt wird, obwohl die Materialkosten höher sind.

„Mechanische Integritätsprobleme – Korrosion und Wasserstoffversprödung in Laugen“
Titan der Güteklasse 2 weist Korrosionsraten von 0,1–0,3 mm pro Jahr in 40 %iger NaOH bei 80 Grad auf, basierend auf Eintauchtests gemäß ASTM G31 .. Bei einer typischen Wandstärke von 1,2 mm entspricht dies einer Perforationszeit von 4–12 Jahren, was sich lohnen würde. Das schwerwiegendste Fehlerszenario ist jedoch die Wasserstoffversprödung. In Ätzgas erzeugt die Korrosionsreaktion atomaren Wasserstoff: Ti + 4OH⁻ → TiO₂ + 2H₂O + 4e⁻ (anodisch) 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ (kathodisch) Atomischer Wasserstoff diffundiert in das Titangitter und bildet sprödes Titanhydrid (TiH). 2 ) an den Korngrenzen. Grad 2, in 40 % NaOH bei 80 Grad, beträgt die Wasserstoffaufnahmerate etwa 50–100 ppm/Monat. Über 200-300 ppm Wasserstoffkonzentration wird Titan spröde und neigt unter thermischer oder Eigenspannung zur Rissbildung. Dieser Versprödungsfehler tritt auf, bevor die Wand stark verdünnt ist, und oft mit kaum sichtbarer Korrosion. In den Laugenvorwärmern kommt es innerhalb von 12 bis 18 Monaten zu Ausfällen von Titanrohren der Güteklasse 2 in Form von Rissen an Schweißnähten oder Biegeradien. Die Wandstärke liegt jedoch nahe am Original.

Titan der Güteklasse 7 mit 0,12 bis 0,25 Prozent Palladium verhält sich anders. Palladium ist ein kathodischer Katalysator für die Rekombination von atomarem Wasserstoff zu einem Molekül H 2, das nicht in das Titangitter eindringt. Das Korrosionspotential von Grad 7 in 40 % NaOH bei 80 Grad beträgt ungefähr +0.2 V vs. SHE, verglichen mit -0,3 V für Grad 2 – eine Verschiebung von 500 mV in den passiven Bereich. Die Korrosionsrate für Grad 7 beträgt weniger als 0,01 mm/Jahr und die Wasserstoffabsorption ist nicht nachweisbar (<1 ppm/mo). A similar Grade 7 tube with a wall thickness of 1.2 mm has a service life of more than 10 years limited by mechanical considerations only, not by corrosion or embrittlement.

Auswirkung auf die thermische Leistung: Gleiche Wärmeübertragung
Die Wärmeleitfähigkeit von Titan Grad 2 und Grad 7 ist sehr ähnlich (17 W/m·K bei 80 Grad), da der Palladiumzusatz nur 0,15 % beträgt. Die Außenflächentemperatur und die Wärmeübertragungsrate sind bei gleicher Wandstärke und Leistungsdichte gleich. Daher fallen bei der Wahl von Klasse 7 keine thermischen Kosten an. Der größte Nachteil sind die unterschiedlichen Materialkosten (Klasse 7 ist etwa 50–70 % teurer als Klasse 2).

Auswahlmatrix für ätzende Servicequalitäten: Synthese des Kompromisses-
NaOH-Konzentration und -Temperatur Lebensdauer der Klasse 2 (1,2 mm Wand) Lebensdauer der Klasse 7 (1,2 mm Wand) Empfohlene Qualität Kerntechnische Begründung
20 % NaOH, 60 Grad > 10 Jahre > 15 Jahre Grad 2 Grad 2 ist ausreichend; Note 7 ist über-angegeben.
30 % NaOH, 70 Grad 3 – 5 Jahre (Versprödung) 10 Jahre Klasse 7 Klasse 2 versagt durch Wasserstoffrissbildung vor Perforation durch Korrosion.
40% NaOH, 80°C 1 to 2 years (embrittlement) >10 Jahre, 7. Klasse, 2. Klasse nicht geeignet. Palladiumzusatz erforderlich.
50 % NaOH, 90 °C < 6 Monate 5 – 8 Jahre Grad 7 Selbst Grad 7 hat die Lebensdauer verkürzt; andere Materialien untersuchen.
40 % NaOH, 80 Grad, mit Chloriden (kontaminiert) < 6 Monate 3 – 5 Jahre Grad 7 + CP Chloride verstärken Lochfraß, CP kann erforderlich sein.
Engineering Beyond the Grade: Oberflächenbeschaffenheit und Schweißen
Titan der Güteklasse 7 funktioniert im Laugenbetrieb nur dann wie erwartet, wenn die Oberfläche frei von Eisenverunreinigungen ist. Die durch eingebettete Eisenpartikel gebildeten galvanischen Zellen schädigen lokal die Passivschicht und führen selbst in der Güteklasse 7 zu Lochfraß. Nach der Fertigung erfolgt 5-minütiges Beizen in 10 % HNO₃ + 2 % HF, um Oberflächeneisen zu entfernen. Beim Schweißgrad 7 gelten die gleichen Vorsichtsmaßnahmen wie beim Schweißgrad 2 (Abschirmung mit Argon, keine Verunreinigung) und das Schweißgut behält eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie das Grundmetall, da Palladium in Lösung bleibt. Das Glühen nach dem Schweißen ist bei ätzendem Betrieb nicht erforderlich, kann aber zur Spannungsentlastung eingesetzt werden.

Fazit: Eine dickere Lauge erfordert auch bei gleicher Wandstärke Güteklasse 7
Für ein Heizrohr aus Titan, das 40 % Natriumhydroxid auf 80 Grad erhitzt, ist Titan der Güteklasse 7 gegenüber Titan der Güteklasse 2 vorzuziehen, selbst wenn beide für die gleiche Wandstärke spezifiziert sind. Der Grad 2 versagt aufgrund der Wasserstoffversprödung nach 1-2 Jahren aufgrund der Absorption von Wasserstoff aus der Ätzkorrosionsreaktion. Grad 7 bleibt passiv und widersteht der Wasserstoffaufnahme über 10 Jahre lang. Die Anwesenheit von 0,15 % Palladium verändert das Korrosionspotential im passiven Bereich, verringert die Korrosionsrate um den Faktor 30 und verhindert die Aufnahme von Wasserstoff. Hinsichtlich der thermischen Leistung gibt es keinen Unterschied zwischen den beiden Kategorien. Die erhöhten Materialkosten der Sorte 7 werden durch die deutlich längere Lebensdauer gerechtfertigt. Für konzentrierte ätzende Anwendungen verwenden Sie Titanheizgeräte der Güteklasse 7 mit dokumentierter Palladiumkonzentration (0,12 bis 0,25 %) und Beizen nach der Herstellung, um eine saubere, passive Oberfläche zu erzeugen. Für diese Anwendung sollte Güteklasse 2 unabhängig von der Wandstärke abgelehnt werden.