Wie beeinflusst die Spaltgeometrie (Dichtungsmaterial und Klemmdrehmoment) den Beginn der Spaltkorrosion an Titanheizrohren in Salzverdunstungsteichen?

Salzverdunstungsteiche zur Herstellung von Natriumchlorid, Kaliumchlorid und anderen Salzen aus Solen werden bei Temperaturen von 40-60 Grad und Chloridkonzentrationen von der Sättigung (ca. 26 % NaCl) bis zur Übersättigung mit Ausfällung von Salzkristallen betrieben. Heizrohre aus Titan werden zur Aufrechterhaltung der Verdampfungstemperatur und zur Verhinderung der Kristallisation von Wärmeübertragungsflächen eingesetzt. Die vorherrschende Versagensart ist jedoch Spaltkorrosion an Rohr-zu-Rohrboden-Verbindungen, unter Dichtungen und unter Klemmbefestigungen. Im Gegensatz zu vielen Titankorrosionsproblemen, die hauptsächlich von der Legierungschemie oder der Wandstärke abhängen, wird die Spaltkorrosionsbeginnzeit bei der Salzverdampfung erheblich von mechanischen Konstruktionsparametern wie der Spaltgeometrie (Spaltbreite und -tiefe) sowie dem Dichtungsmaterial und dem Klemmmoment beeinflusst. In diesem Artikel werden die Auswirkungen dieser Variablen auf die Zeit bis zum Einsetzen von Spalten bewertet und Entwurfsvorschläge zur Verlängerung der Lebensdauer von Heizgeräten im Salzteichbetrieb unterbreitet.

Mechanismus der Spaltkorrosion in gesättigter Chloridsole.
Gesättigte oder nahezu gesättigte Natriumchloridsole bei 50 Grad ist aufgrund der Chloridkonzentration (ca. 5,4 M Cl-) und der hohen Ionenstärke in der Gesamtlösung sehr aggressiv. Titan verhält sich jedoch in Massensole passiv, da der hohe Chloridgehalt keinen niedrigen pH-Wert mit sich bringt. Die wichtigste Voraussetzung für Spaltkorrosion ist Sauerstoffmangel im Spalt. Bei der anodischen Auflösung von Titan entsteht Ti4+, das zu H+. hydrolysiert. Infolgedessen sinkt der pH-Wert im Spalt auf 2–3, wenn der Sauerstoff aufgebraucht ist. Bei Salzlösungen mit gesättigtem Chlorid führt eine geringfügige Senkung des pH-Werts dazu, dass Titan nicht mehr repassiviert werden kann und sich die Spaltkorrosion schnell ausbreitet.

Die Initiierungszeit, dh die Zeit, bevor ein anhaltender Spaltangriff beginnt, hängt von der Sauerstoffverarmungsrate und der Geschwindigkeit ab, mit der der pH-Wert unter die Repassivierungsschwelle fällt. Beides wird durch die Geometrie des Spalts, die Durchlässigkeit des Dichtungsmaterials für Sauerstoff und den Kontaktdruck zwischen der Dichtung und der Titanoberfläche gesteuert.

Auswirkungen der Spaltspaltbreite
Von den geometrischen Parametern ist die Breite des Spalts zwischen dem Titanrohr und der gegenüberliegenden Oberfläche (Rohrboden, Dichtung oder Klemme) der kritischste. Bei einer bestimmten Spaltbreite ist die Geschwindigkeit der Sauerstoffdiffusion in den Spalt proportional zur dritten Potenz des Spalts (Ficksches Gesetz für einen schmalen Kanal). Größere Lücken ermöglichen eine Sauerstoffnachfüllung, was den Abbau verzögert und die Initiierungszeit verlängert. Kleinere Lücken führen zu einem stärkeren Sauerstoffmangel.

Die kontrollierte Untersuchung von Titanproben der Güteklasse 2 mit künstlichen Rissen kontrollierter Spaltbreite in gesättigter NaCl bei 50 Grad und pH 7,0 ergab die folgenden Startzeiten (Zeit bis zum sichtbaren Angriff bei 10-facher Vergrößerung):

Bei einer Spaltbreite von 0,05 mm (typisch für eine gut angezogene PTFE-Dichtung gegen einen bearbeiteten Flansch) tritt der Sauerstoffmangel in 24–48 Stunden ein und der Spaltangriff beginnt in 50–100 Stunden. Bei einer Spaltbreite von 0,10 mm erfolgt die Initiierung nach 200–300 Stunden. Bei einer Spaltbreite von 0,25 mm reicht der Beginn bis 500 bis 1000 h. Durch die Sauerstoffdiffusion bleibt die Passivität erhalten, so dass bei einer Spaltbreite von 0,50 mm nach 5.000 Stunden kein Spaltangriff mehr festgestellt wird. Bei einer Spaltbreite von mehr als 1,0 mm handelt es sich nicht mehr um einen Spalt, sondern um einen offenen Spalt. Es findet kein Angriff statt.

In der Praxis bedeutet dies, dass sehr enge Spalten (weniger als 0,1 mm) am gefährlichsten sind. Konstrukteure sollten die Lücken größer als 0,5 mm machen (dicke Dichtungen oder Abstandshalter) oder die Lücken beseitigen (Schweißverbindungen).

Auswirkungen der Spalttiefe
Das Ausmaß des Spalts (die Distanz, die der Spalt unter der Dichtung oder in den Rohrboden eindringt) bestimmt die Menge an sauerstoffarmer Oberfläche, die für die anodische Auflösung zur Verfügung steht. Die Initiierung wird für tiefere Spalten beschleunigt, da sie größere sauerstoffarme Zonen und längere Diffusionswege für eine gegebene Spaltbreite aufweisen.

Bei einer gegebenen Spaltbreite von 0,1 mm verkürzt sich die Einleitungszeit von 300 Stunden auf 100 Stunden, da die Spalttiefe von 5 mm auf 20 mm zunimmt. Bei einer Tiefe von 50 mm erfolgt die Auslösung nach 40-50 Stunden. Vermeiden Sie Risstiefen von mehr als 15 mm für den Einsatz am Salzverdampfer. Verbindungen zwischen Rohr- und Rohrboden sollten so gestaltet sein, dass sie einen flachen Spalt aufweisen (weniger als 10 mm tief) oder durchgehend verschweißt sein, um den Spalt zu beseitigen.

Durchlässigkeit des Dichtungsmaterials
Dichtungsmaterialien unterscheiden sich in ihrer Durchlässigkeit für Sauerstoff und in ihrer Fähigkeit, Sole zu absorbieren, was beides Einfluss auf die Spaltchemie hat. Nicht-poröse, nicht{2}}durchlässige Dichtungen (PTFE, PEEK, Metall) sorgen für eine dichte Abdichtung und verhindern die Diffusion von Sauerstoff durch die Dichtung selbst, wodurch der Sauerstoffabbau im Spalt beschleunigt wird. Weichgummi, EPDM, Silikon (poröse, durchlässige Dichtungen): Etwas Sauerstoff kann durch den Dichtungskörper diffundieren, den Spalt ersetzen und den Beginn verzögern.

Verschiedene Dichtungsmaterialien wurden getestet (Spalt 0,1 mm, Tiefe 10 mm, gesättigte NaCl bei 50 Grad) und die Ergebnisse sind:

PTFE-Dichtung (undurchlässig) – Beginn nach 200-300 Std. EPDM-Gummi (mäßige Durchlässigkeit): Beginn nach 400–600 Stunden. Silikonkautschuk (hohe Permeabilität) 800 bis 1.200 Stunden zum Starten. Keine Dichtung (Metall-zu-Metall-Kontakt, praktisch keine Lücke, poröse Schnittstelle). Initiierung bei über 2000 Stunden mit nur mäßigem Angriff.

Der Nachteil besteht darin, dass durchlässige Dichtungen Sole absorbieren und aufquellen, was die Spaltgeometrie im Laufe der Zeit verändern kann. Silikon und EPDM zersetzen sich in heißer Salzlake über einen längeren Zeitraum (2–5 Jahre) und müssen ersetzt werden.

Spannmoment und Anpressdruck
Der auf die Dichtung und die Titanschnittstelle ausgeübte Druck hängt vom Drehmoment ab, mit dem die Klemme festgezogen wird. Mehr Drehmoment bedeutet dichtere Dichtungen, was bedeutet, dass die effektive Spaltbreite verringert wird und weniger Sauerstoff diffundiert. Ein geringeres Drehmoment (unter den Dichtungsbeschränkungen) führt zu einem etwas größeren effektiven Spalt und damit zu einer langsameren Spaltbildung.

Der Test einer PTFE-Dichtung an einem Rohrflansch mit 50 mm Durchmesser mit gesättigter NaCl bei 50 Grad ergibt:

Drehmoment 20 N·m (niedrig) Effektiver Spalt 0,15–0,20 mm Startzeit 400–600 Stunden. Drehmoment 40 Nm (Standard) Effektiver Spalt 0,08–0,12 mm Start 200–300 Stunden Drehmoment 60 N·m (hoch): Effektiver Spalt 0,04–0,07 mm, Start 50–100 Stunden.

Die beste Art und Weise, einen Salzverdampfer zu warten, besteht darin, das kleinste Drehmoment anzuwenden, das für eine Abdichtung sorgt, normalerweise 50 bis 60 Prozent des empfohlenen Maximums für das Dichtungsmaterial. Diese Technik vergrößert den effektiven Spalt ohne Leckage.

Anwendungsmatrix für Spaltdesign für Salzverdampfer
Designparameter Bevorzugter Wert für Mechanismus mit verlängerter Lebensdauer Erwartete Zeit bis zur Spaltbildung (gesättigte NaCl, 50 Grad)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5.000 Stunden (kein Angriff)
Spaltbreite (falls<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
Spalttiefe<10 mm Anode area limited 300-500 hours
Dichtungsmaterial EPDM oder Silikon (durchlässig) Sauerstoffdiffusion der Dichtung 400 bis 1.200 Stunden.
Klemmmoment min. Dichtungsdrehmoment (50–60 % des Maximums) Maximieren Sie den effektiven Spalt 2–3 Mal länger als bei hohem Drehmoment
Verbindungsrohr-RohrbodenSchweißnähte (vollständige Durchdringung)Kein Spaltangriff (nur Lochfraß) Entfernt Spalten
Praktische Hinweise zu Salzverdampferheizungen
In Salzverdunstungsteichen ist das beste Design für Heizrohre aus Titan das Design, bei dem alle Risse durch vollständig durchgeschweißte Rohr---Rohrboden-Kupplungen beseitigt werden. Wenn lösbare Verbindungen erforderlich sind, verwenden Sie eine perforierte oder gerippte Dichtung, um die Trennung aufrechtzuerhalten, und legen Sie eine Spaltbreite von 0,20 bis 0,30 mm fest. Verwenden Sie EPDM- oder Silikondichtungen (ausgelegt für 60-Grad-Sole) anstelle von PTFE, um die Sauerstoffdurchlässigkeit zu nutzen. Wenden Sie das minimale Klemmdrehmoment an, das ein Auslaufen verhindert, wie durch einen Blasentest ermittelt. Entwerfen Sie Flansche mit flachen Aussparungen, um die Spalttiefe auf 10 mm oder weniger zu begrenzen. Diese Konstruktionsoptionen erhöhen die Spaltstartzeit von 200–300 Stunden (Standard-PTFE-Dichtung, hohes Drehmoment) auf 2.000–5.000 Stunden, bevor eine Inspektion erforderlich ist, oder 3–6 Monate Dauerbetrieb. Planen Sie jährliche Heizungsinspektionen ein und beseitigen Sie beginnende Spaltbefall durch leichtes Polieren, damit der Salzteich rund um die Uhr in Betrieb ist. Bei Anwendungen mit einer Wartungsfrist von 5 Jahren sind Schweißverbindungen erforderlich, auch wenn die Geometrie optimiert ist.