U hidrometalurškom autoklavu za obradu nikal laterita (visoki klorid, 250 stupnjeva, 40 bara), zašto bešavni omotač od titana razreda 7 sa stijenkom od 3,0 mm nadmašuje zavareni omotač od 2,0 mm unatoč nižem prijenosu topline?

Temeljni kompromis-u dizajnu grijača od titana za visokotlačne autoklave
Hidrometalurški autoklavi s lateritom nikla rade na 250 stupnjeva i tlaku od 40 stupnjeva i pri visokim koncentracijama klorida (10 000–50 000 ppm). Grijači od titana moraju izdržati visoku koroziju i mehanička opterećenja. Uobičajeni standardi uključuju bešavni titan Grade 7 sa stijenkom od 3,0 mm i zavareni Grade 2 ili Grade 7 sa stijenkom od 2,0 mm. Deblja stijenka ima smanjen prijenos topline, ali bešavni omotač od 3,0 mm Grade 7 ima bolji radni vijek od zavarenog omotača od 2,0 mm iz dva razloga: nema mjesta korozije-povezanih sa zavarivanjem i poboljšana otpornost na koroziju Grade 7 u kloridima visoke-temperature. Ova analiza raspravlja o razlozima odabira naizgled pre-debele bešavne cijevi za ovu ekstremnu primjenu.

Utjecaj na mehaničku cjelovitost: Otkazivanje zavara i pukotinska korozija
Pod visokim tlakom, uvjetima autoklava s visokim sadržajem klorida na 250 stupnjeva, titanijske cijevi uglavnom otkazuju na zavarenom šavu ili u zoni utjecaja topline (HAZ). Zavarivanje dodaje 3 nove ranjivosti. Prvo, zaostala vlačna naprezanja u području zavara (150-250 MPa) viša su od praga za naprezno korozijsko pucanje u uvjetima klorida. Drugo, ZUT ima izrazitu mikrostrukturu (acikularni alfa-prime martenzit) koja je sklonija vodikovoj krtosti. Treće, ojačanje zavara čini pukotinu u kojoj se skupljaju kloridi. Terenski podaci iz autoklava s nikal lateritom pokazuju da se zavarene cijevi stupnja 2 ili razreda 7 s debljinom stijenke od 2,0 mm pokvare za 12-24 mjeseca zbog pukotina ili udubljenja povezanih sa zavarivanjem.

Bešavne cijevi stupnja 7 su bez uzdužnih varova i HAZ-a. Grijana duljina je bešavna, ali se završni poklopci mogu zavariti. Stupanj 7 sadrži 0,12 do 0,25 posto paladija, koji oplemenjuje titan i podiže kritičnu temperaturu pitinga u visoko-kloridnim otopinama s 80 stupnjeva (Stupanj 2) na preko 200 stupnjeva. Stupanj 7 ravnomjerno korodira brzinom od 0,05–0,10 mm/godišnje, ali pri 250 stupnjeva, a stupanj 2 0,5–2,0 mm/godišnje. Stjenka od 3,0 mm daje dopuštenje za koroziju od 30-60 godina pri 0,05-0,10 mm/godišnje, što je mnogo više od predviđenog životnog vijeka autoklava.

Gubitak prijenosa topline: utjecaj na toplinsku učinkovitost
Stijenka od 3,0 mm deblja je i stoga ima veći vodljivi otpor: R_cond=t/k_Ti=0.003/17=1.76 × 10⁻4 m²·K/W naspram 1,18 × 10⁻⁴ za stijenku od 2,0 mm. Razlika je 0,58×10-4 m 2 K/W. Za reprezentativni autoklav: prisilna cirkulacija (h ≈ 2000 W/m2·K) R konv=5 × 10–4 m2·K/W. Ukupni otpor za 3,0 mm 6,76 x 10-4 . Za 2,0 mm 6,18 x 10-4-povećanje od 9 %. Stijenka od 3,0 mm ima površinsku temperaturu oko 4 stupnja višu za isti toplinski tok. Kompromis je mali i prihvatljiv je s obzirom na veliku dobit u otpornosti na koroziju i pouzdanosti.

Sažetak kompromisa-: Bešavni stupanj 7 3.0 mm u odnosu na zavareni 2,0 mm
Bešavni razred 7, 3,0 mm ParameterGrade 2, 2,0 mm inženjerski udar, zavareni
Zavareni šav Nema (bešavni) Uzdužni zavar prisutan Kvar zavarene cijevi na zavaru za 12-24 mjeseca
Stupanj 7 (0,15% Pd) Stupanj 2 (bez Pd) 10-20× otpornost na kloride za stupanj 7
Stopa korozije (250 stupnjeva, visoki Cl−) 0,05 – 0,10 mm/godina 0,5 – 2,0 mm/godina Stupanj 2 je 10-40× brži
Dopušteni vijek trajanja od korozije (3,0/2,0 mm) 30 – 60 godina 1 – 4 godine Bešavni stupanj 7 projektirani životni vijek premašen
Relativni prijenos topline 0,91× (9% niže) 1,00× (osnovno) Razuman kompromis.
Postignuti radni vijek > 5 godina < 2 godine Preferirana bešavna klasa 7
Inženjering izvan zida: zavarivanje završnih kapica i NDT
Čak i ako je cijev bešavna, završni poklopci i prirubnice moraju biti zavareni. Ovi zavari mogu biti točke kvara. Varovi s punim prodiranjem s dobrim ojačanjem mogu se dobiti za zid od 3,0 mm. Toplinska obrada nakon -zavarivanja (540 stupnjeva tijekom 1 h) smanjuje zaostalu napetost u zoni zavarivanja na<50 MPa. All welds should be 100% radiographically (RT) or phased array ultrasound examined for porosity or lack of fusion. End cap welds last as long as the seamless tube with good welding processes.

Zaključak: bešavna klasa 7 sa stijenkom od 3,0 mm poželjna za ekstremnu upotrebu u autoklavu
U hidrometalurškoj obradi laterita nikla u autoklavu -bogatom kloridom na 250 stupnjeva i 40 bara, bešavna cijev od titana Grade 7 s debljinom stijenke 3,0 mm radi bolje od zavarene alternative debljine 2,0 mm, unatoč smanjenom prijenosu topline, zbog eliminacije mjesta kvara povezanih sa zavarenim spojem i izvrsne otpornosti na koroziju postignute pomoću paladija legiranje. Zavarene cijevi pokvarit će se za 12-24 mjeseca zbog korozije ili pucanja zavarenog šava, ali bešavne cijevi razreda 7 osigurat će 5+ godina rada. Kazna od 9% prijenosa topline je prihvatljiva za ogroman dobitak u pouzdanosti i dugovječnosti. Preporučeni standard su bešavne titanske cijevi razreda 7 (ASTM B861) s debljinom stijenke od 3,0 mm. Varovi s punim prodiranjem za završne kape, žarenje nakon-naprezanja zavarivanja i 100% NDT svih zavara. Recite proizvođaču koju koncentraciju klorida očekujete i na kojoj ćete temperaturi raditi. Deblji bešavni stupanj 7 ne prelazi-specifikacije za upotrebu u autoklavu s nikal lateritom - to je minimalna debljina za pouzdan rad.