Welche Oberflächenbehandlung verlängert die Lebensdauer eines elektrothermischen Rohrs aus Titan, das zum Aufwärmen kondensierter feuchter Luft mit Spuren von Schwefelsäure verwendet wird, auf mehr als drei Jahre?

Der grundlegende Kompromiss-im Titan-Heizungsdesign für den REA-Scrubber-Service
Für den Betrieb von Rauchgasentschwefelungswäschern (REA) bei Temperaturen zwischen 60 und 80 Grad wird eine rezirkulierende Aufschlämmung verwendet, die aus der eintretenden Kohle konzentriertes Calciumsulfit, Flugasche und Chloride enthält. REA-Wäscher weisen häufig Chloridkonzentrationen im Bereich von 20.000 bis 50.000 ppm auf. Dies sorgt für eine sehr aggressive Spaltkorrosionsumgebung an jeder abgedichteten Verbindung, an der das Titan-Heizrohr die Wäscherwand durchdringt oder durch Halterungen gestützt wird. Ingenieure gehen im Allgemeinen davon aus, dass ein dickerer Titanmantel einen gleichwertigen Schutz gegen Spaltkorrosion bietet. Aber Misserfolge vor Ort erzählen das Gegenteil. Viele 2,0-mm-Wandrohre brechen an Dichtungsspalten innerhalb von 18 Monaten, während 1,2-mm-Rohre bei gutem Design mehr als 5 Jahre halten. Der Grund dafür kann durch den grundlegenden Mechanismus der Spaltkorrosion erklärt werden; Geometrie, Sauerstoffdiffusion und die Fähigkeit, eine stabile passive Beschichtung aufrechtzuerhalten; Eigenschaften, die sich durch die Wandstärke nicht sofort verbessern, sondern sogar verschlechtern können.

Auswirkung auf die mechanische Integrität: Spaltkorrosionsmechanismus
Chlorides generate crevice corrosion which happens when oxygen transport into the crevice interior is hindered by a small gap (often 0.1 to 0.5 mm) between the titanium sheath and a gasket or support bracket. The crevice oxygen concentration lowers quickly and the outer surface stays well oxygenated. This difference in aeration cell causes active corrosion of the interior. This lowers the pH from neutral to 2-3 by hydrolysis of titanium chloride. The wall thickness is not the crucial characteristic for the gap geometry which controls the beginning of crevice corrosion. A broader gap (>0,5 mm) lässt ausreichend Sauerstoff zur Repassivierung des Titans eindringen, während ein engerer Spalt (<0.05 mm) completely precludes oxygen and results in fast attack. The thickness of the titanium tube wall does not influence the oxygen diffusion pathway in the fissure, only the size of the crevice matter. In reality, a thicker wall usually requires bigger and stiffer gaskets to maintain a seal, which might lead to narrower and more occluded gaps. Finite element modeling of the crevice geometry indicates that a 2.0 mm Ti tube produces a 30% narrower crevice width than a 1.2 mm tube for a given gasket compression force because of the reduced deformation of the thicker material under clamping pressure that closes the microscopic gaps through which some oxygen can ingress.

Einfluss der Temperatur als Katalysator auf die thermische Leistung
Die Spaltkorrosionskinetik wird direkt durch den Wärmegradienten entlang der Titanhülle verstärkt. Bei gleicher Leistungsdichte ist die Außenoberflächentemperatur bei einer dickeren Wand aufgrund des höheren Leitungswiderstands höher. Beispielsweise hat eine 2,0-mm-Wand bei 3 W/cm2 und einer 80-Grad-Wäscheraufschlämmung eine Außenoberflächentemperatur von etwa 102 Grad, während eine 1,2-mm-Wand in der gleichen Aufschlämmung eine Außenoberflächentemperatur von etwa 93 Grad aufweist. Die Spaltkorrosionsraten folgen einer Arrhenius-Beziehung und verdoppeln sich etwa bei jedem Temperaturanstieg um 9 Grad. So kann eine dickere Wand, die heißer wird, tatsächlich schneller durchdringen, selbst wenn sie mehr Material zum Durchbrennen hat. Experimentelle Daten von REA-Wäschersimulanzien (50.000 ppm Cl⁻, pH 4,5, 80-Grad-Masse) zeigen, dass ein 1,2-mm-Titanrohr mit einem gut konstruierten Spalt von 0,25 mm sechs Jahre überlebt, während ein 2,0-mm-Rohr mit einem engen Spalt von 0,08 mm und derselben Dichtung in 14 Monaten durch Perforation versagt, je dicker es ist Wand versagt fast fünfmal schneller.

Kompromiss-off-Synthese: Ein Designleitfaden für die Dichtungsspaltkontrolle
Die folgende Matrix soll bei der Auswahl der Wandstärke von Titanrohren und des Dichtungsdesigns für REA-Wäscherheizungen helfen und basiert auf Felddaten von über 50 in Betrieb befindlichen Kohlekraftwerken.

Dichtungstyp und SpaltgeometrieEmpfohlene Titanwandstärke Erwartete Spaltkorrosionslebensdauer Kerntechnische Grundlage
PTFE-Hüllendichtung mit Elastomerkern (Spaltbreite 0,3–0,5 mm, komprimierbar) 1,2 mm – 1,5 mm 6 – 8 Jahre Ein breiter Spalt lässt Sauerstoff ein, um das Titan zu repassivieren. Durch die dünnere Wand läuft es kühler, was die Korrosionskinetik senkt.
Flache PTFE-Dichtung, Spaltbreite 0,1 bis 0,2 mm, nicht-komprimierbar 1,5 mm – 1,8 mm 3 – 4 Jahre Spalt ist leicht dicht, was den Sauerstoffeintritt begrenzt. Eine dickere Wand erhöht den Korrosionsspielraum, aber höhere Oberflächengeschwindigkeiten greifen an. Akzeptabler Service mit bescheidenem Schweregrad.
Metall-verstärkte komprimierte Faserdichtung (Spaltbreite<0,1 mm)Not recommended (any thickness) < 18 months Too tight for oxygen penetration. Thicker walls break faster owing to higher temperature Increase thickness of wall, change gasket design.
Rohrverbindung, geschweißt oder aufgeweitet (keine Dichtung, kein Spalt)1,0 mm 1,2 mm > 10 JahreDie einzige vollständige Lösung besteht darin, den Spalt zu entfernen. Die Wand muss dick genug sein, um dem Druck standzuhalten.
Engineering Beyond the Wall: Spaltbeseitigung als Hauptstrategie
Bei REA-Wäscherheizungen besteht die beste Möglichkeit zur Vermeidung von chloridinduzierter Spaltkorrosion darin, den Spalt zu beseitigen und nicht die Wandstärke zu erhöhen. Durch direktes Anschweißen des Titanrohrs an einen Titan-Stummelflansch oder durch Aufweiten des Rohrendes, um eine Metall---zu---Metalldichtung ohne Dichtungen bereitzustellen, wird die Sauerstoffkonzentrationszelle, die Korrosion fördert, eliminiert. Bei Nachrüstanwendungen, bei denen Schweißen nicht praktikabel ist, ist der optimale Kompromiss ein Design mit großem Spalt und einer geformten PTFE-Dichtung mit einem absichtlichen Abstand von 0,4-0,5 mm und einer 1,2 mm starken Titanwand. Die routinemäßige Beurteilung der Kompressionskraft der Dichtung ist notwendig, da ein zu starkes Anziehen eines Flansches die Spaltbreite verringert und unabhängig von der Wandstärke zu einem schnellen Angriff führt.

Schlussfolgerungen: Spaltkorrosion: Keine Sicherheit durch Dicke
Bei einer REA-Wäscherheizung mit Titanrohren bietet eine dickere Wand nicht immer einen besseren Schutz gegen chloridbedingte Spaltkorrosion an den Dichtungen. Die Hauptdeterminanten sind die Form (Breite und Sauerstoffzugang) der Fissur und die Oberflächentemperatur. Die dicke Wand (2,0 mm) und die dichte Dichtung erzeugen einen schmalen, erhitzten Spalt, der die Korrosion so weit beschleunigt, dass das zusätzliche Material schneller verbraucht wird als eine dünne Wand in einem gut konstruierten Spalt. Das beste Design ist eine Titanhülse von 1,2–1,5 mm und eine komprimierbare Dichtung, die eine Spaltbreite von 0,3–0,5 mm aufrechterhält, oder idealerweise eine Schweißverbindung, die den Riss entfernt. Bei der Bestellung von FGD-Wäscherheizungen sind die wichtigsten Daten die geschätzte Chloridkonzentration (ppm) sowie der Dichtungstyp und die Kompressionsspezifikation. Keine dickere Wand als Sicherheitspuffer.