Ved varmt sjøvann (60–90 grader, 3–4 % saltholdighet), beskytter PFA-varmere metallkjernen mot direkte kjemisk angrep. Imidlertid lar mikroskopiske defekter eller permeasjonsveier til slutt kloridioner nå kjernen. Når klorid kommer i kontakt med metallet, blir spenningskorrosjonssprekker (SCC) den dominerende feilmekanismen. En kjerne av titan klasse 2 motstår klorid-indusert SCC nesten på ubestemt tid, mens en Incoloy 825-kjerne sprekker i løpet av måneder til noen år under strekkspenning. Forskjellen kommer fra den passive filmstabiliteten: titan danner et seig TiO₂-lag som selv-heler raskt i nærvær av oksygen eller vann. Incoloy danner en kromoksid (Cr₂O₃) film som er sårbar for kloridionangrep, noe som fører til groper og påfølgende sprekkinitiering. For PFA-varmere i varmt sjøvann eller saltvannsmiljøer, forlenger en titanium kjerne levetiden med 5–10× sammenlignet med Incoloy.
Mechanism of Chloride-Induced Stress Cracking on Incoloy
Incoloy 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) er avhengig av en passiv kromoksidfilm for korrosjonsbestandighet. I varmt sjøvann adsorberer kloridioner på filmoverflaten, og forstyrrer den lokalt. Det eksponerte metallet løses opp og danner en grop. På tuppen av gropen hindrer det sure, kloridrike-miljøet re-passivering. Strekkspenning (fra termisk ekspansjon eller gjenværende produksjonsspenning) konsentreres ved gropen, og starter en sprekk. Når en sprekk dannes, forplanter den seg transgranulært gjennom Incoloy. For en PFA-varmer med brutt kappe eller gjennomsyret klorid, svikter Incoloy-kjernen vanligvis innen 1 000–5 000 timer ved 80 grader, selv om PFA virker intakt. Sprekken fører til at kjernen mister elektrisk kontinuitet eller jording til PFA, noe som utløser varmefeil.
Titanium Grade 2 (kommersielt ren) danner en TiO₂-film som er ekstremt stabil i kloridmiljøer. Filmen reformeres nesten umiddelbart hvis den blir skadet, forutsatt at oksygen eller vann er tilstede. Sjøvann inneholder rikelig med oppløst oksygen. Kloridioner forstyrrer ikke TiO2-filmen; de stabiliserer det faktisk. Titan er immun mot klorid SCC ved temperaturer under 120 grader. I varmt sjøvann viser titaniumkjerner ingen SCC etter 50,000+ timers eksponering, selv når de er mekanisk belastet.
Sammenlignende ytelse i varmt sjøvann (80 grader, 3,5 % NaCl, 50 MPa påført belastning på kjernen)
| Metallkjernemateriale | Passiv film | Tid til pitting (timer) | Tid til å knekke initiering (timer) | Tid til feil (timer) | Dominant feilmodus | Relativt liv |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Incoloy 825 (som-mottatt) | Cr203 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | Transgranulær SCC | 1.0× |
| Incoloy 825 (passivert) | Cr203 | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| Titanium Grade 2 (glødet) | TiO2 | >50 000 (ingen) | >50,000 | >50,000 | Ingen (duktil svikt mulig) | >10× |
| Titanium Grade 7 (Pd-legert) | TiO2 | >50,000 | >50,000 | >50,000 | Ingen | >10× |
| Rustfritt stål 316L | Cr203 | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | Pitting + SCC | 0.3–0.5× |
Feltbevis fra marine varmevekslere
Et kystkraftverk brukte PFA-varmere med Incoloy 825-kjerner i en sjøvanns-kjølt varmeveksler (80 grader). Varmeovner sviktet hver 12.–18. måned på grunn av kjernesprekker. Etter-feilanalyse viste kloridpenetrasjon gjennom mikroskopiske PFA-hulrom og påfølgende SCC av Incoloy. Anlegget erstattet varmeovnene med identiske PFA-kapper, men titanium Grade 2-kjerner. Etter 5 års kontinuerlig drift oppstod ingen feil. Titankjernene viste ingen groper eller sprekker. Anlegget spesifiserer nå titaniumkjerner for alle sjøvannseksponerte PFA-varmeovner{14}.
Hvorfor Incoloy fortsatt er vanlig og når det er akseptabelt
Incoloy er fortsatt mye brukt fordi det er rimeligere (omtrent 50 % av titankostnadene) og yter tilstrekkelig i ikke-kloridmiljøer eller ved lavere temperaturer (<50°C). For freshwater or deionized water service, Incoloy cores can last 10+ years. For hot seawater, brine, or any chloride-rich environment above 60°C, Incoloy is a liability. The additional cost of titanium (typically $200–500 per heater) is recovered after one prevented failure event.
Designanbefalinger for kloridservice
| Miljø | Kloridkonsentrasjon | Temperatur | Anbefalt kjernemateriale | Begrunnelse |
|---|---|---|---|---|
| Ferskvann (avionisert) | <10 ppm | Noen | Incoloy (kostnads-effektiv) | Ingen SCC-risiko |
| Brakkvann | 100–1000 ppm | <50°C | Incoloy | Akseptabel |
| Brakkvann | 100–1000 ppm | >60 grader | Titan klasse 2 | SCC risiko over 60 grader |
| Sjøvann (åpen sløyfe) | 30 000–40 000 ppm | Noen | Titan klasse 2 | Påbudt |
| Saltlake (fordamper) | >100 000 ppm | >70 grader | Titanium Grade 2 eller Grade 7 | Påbudt |
| Varmt sjøvann (varmeveksler) | 35 000 ppm | 80 grader | Titan klasse 2 | Proven life >5 år |
Konklusjon: Titanium Core eliminerer kloridspenningssprekker i varmt sjøvann
I varmt sjøvann (80 grader, 3,5 % NaCl) har en PFA-varmer med en metallkjerne av titan Grad 2 10x lengre levetid enn en Incoloy 825-kjerne fordi titans TiO₂-passive film er immun mot klorid-indusert spenningskorrosjon. Incoloys kromoksidfilm brytes ned i klorider, noe som fører til groper, sprekkinitiering og feil i løpet av måneder til noen år. For alle PFA-varmere som opererer i klorid-miljøer over 60 grader, spesifiser titaniumkjerne. Den opprinnelige kostnadspremien er tjent inn gjennom eliminert nedetid og utskiftingskostnader. Ingeniører som velger materialer for marine, avsalting eller oppvarming av saltvann må prioritere titan. Incoloy hører hjemme i ferskvann; titan styrer havet.
