Para um tubo de aquecimento de titânio operando em uma autoclave de alta-pressão com 5% de ácido acético e 200 ppm de cloreto a 250 graus, qual espessura de parede é necessária para resistir à corrosão em fendas sob uma junta de Teflon?

Compensações-críticas no projeto de aquecedores de titânio para autoclaves de alta-temperatura
200 ppm de cloreto e 5% de ácido acético a 250 graus em autoclaves de alta pressão são um ambiente hostil para o titânio. O titânio é normalmente resistente ao ácido acético, no entanto, a combinação de alta temperatura, cloretos e uma junta de Teflon (PTFE) é um grande perigo para a corrosão em fendas. A junta de PTFE que veda a penetração do aquecedor através da cabeça da autoclave cria uma lacuna apertada na interface da junta-da bainha de titânio. Nesta fissura, perde-se oxigênio, concentram-se cloretos e o pH diminui localmente devido à hidrólise do cloreto de titânio. A temperatura crítica de fenda (CCT) do titânio Grau 2 em soluções de cloreto é normalmente de 70–80 graus. A 250 graus, o titânio está muito acima de seu CCT, e a corrosão em frestas começará rapidamente, a menos que a geometria da fresta seja alterada ou o titânio seja ligado. A iniciação não é evitada pelo tempo de perfuração após o início da corrosão em frestas, sendo uma função da espessura da parede. Esta pesquisa estima a espessura de parede necessária para uma vida útil tolerável em situações de fendas inevitáveis.

Cinética da corrosão em fendas a 250 graus: implicações para a integridade mecânica
O revestimento passivo do titânio Grau 2 é termodinamicamente instável na presença de cloretos a 250 graus, mesmo na ausência de fissura. A taxa de corrosão uniforme em ácido acético a 5% com 200 ppm de Cl- a 250 graus é de cerca de 0,1-0,2 mm/ano. No entanto, a velocidade da corrosão em frestas é 10-50 vezes maior sob uma junta de PTFE. Testes eletroquímicos em condições simuladas de autoclave indicam taxas de crescimento de fendas de 2–5 mm/ano. Para uma parede de 1,0 mm, isso prevê perfuração dentro de 2,5 a 6 meses.. 2.0 parede mm: perfuração em 5 a 12 meses. Parede de perfuração 3,0 mm 7-18 meses. A grande dispersão se deve à heterogeneidade na compressão da gaxeta, no acabamento superficial e na concentração de oxigênio. É importante ressaltar que a conexão é essencialmente linear: duplicar a espessura da parede duplica o tempo de perfuração. Ao contrário da corrosão passivada, onde os benefícios de paredes mais espessas podem crescer exponencialmente, a corrosão em frestas a 250 graus exibe cinética linear devido à incapacidade de formar um revestimento passivo estável para interromper o ataque.

A falha ocorre na interface da bainha-da gaxeta, geralmente de 5 a 10 mm da borda da gaxeta. Após a iniciação, o sulco de corrosão se desenvolve rapidamente. O aquecedor falha por vazamento na penetração e não por perfuração da parte imersa. O exame pós--falha mostra uma ranhura afiada-na borda da faca sob a gaxeta.

Impacto no desempenho térmico: gradiente de temperatura e degradação da junta
O gradiente térmico através da parede de titânio no local da junta é pequeno, uma vez que a junta está geralmente localizada na extremidade fria do aquecedor (acima da zona aquecida). No entanto, o calor transferido para cima na bainha aumenta a temperatura da junta. Para uma autoclave a 250 graus, a temperatura da área da junta pode ser de 150 a 200 graus, dependendo da espessura da parede e do comprimento da porção não aquecida. O PTFE quebra além de 260 graus, mas em torno de 200 graus ele amolece e rasteja, o que aumenta a compressão na gaxeta e reduz a folga na fenda. Uma fissura rasa (< 0.05 mm) increases the crevice corrosion because the diffusion of the oxygen is totally prevented. Thicker wall is more conductive for heat transfer to the gasket (lower thermal resistance per unit length). This may result in a 10-20°C increase in gasket temp for a 2.0 mm wall over a 1.0 mm wall. The increase in temperature brings an increase in PTFE creep and crevice corrosion kinetics which partly offsets the benefit of the increased wall thickness.

Síntese-de compensação: espessura da parede para 1 ano de vida útil
Espessura da parede (mm) Taxa de corrosão prevista na fenda (mm/ano a 250 graus) Tempo de perfuração (meses) Temperatura da junta (graus) Recomendado para vida útil de 1 ano?
1,0 mm 3,5 mm/ano (típico) 3,5 meses 180 graus Não
1,5 mm 3,5 mm/ano 5 meses 185 graus Não
2,0 mm 3,5 mm/ano 7 meses 190 graus Não (pausas antes dos 12 meses)
2,5 mm 3,5 mm/ano 8,5 meses 195 graus Não
3,0 mm 3,5 mm/ano 10 meses 200 graus Marginal (pode não atingir 12 meses)
4,0 mm 3,5 mm/ano 13,5 meses 210 graus Sim (Risco de deterioração do PTFE)
Os dados sugerem que mesmo uma parede de 4,0 mm não durará mais de 13,5 meses a uma taxa de corrosão em fendas de 3,5 mm/ano e a temperatura da junta (210 graus) está além do máximo recomendado para PTFE (200 graus contínuos). Não se pode confiar apenas na espessura da parede para fornecer uma vida útil de 1 ano para condições agressivas de fendas.

Engenharia Além da Parede: Eliminação de Fendas e Atualização de Ligas
Como a espessura da parede melhora apenas linearmente a vida útil da corrosão em frestas, a ênfase da engenharia deve ser colocada na prevenção do desenvolvimento de frestas ou na atualização da liga de titânio. Primeiro, a junta de PTFE é substituída por uma conexão soldada de titânio-ao-flange, eliminando a fissura. Uma vedação soldada (por exemplo, um tubo de titânio soldado ao cabeçote da autoclave) remove a interface da bainha da gaxeta-que é o local da corrosão. Em segundo lugar, a temperatura crítica da fenda aumenta para ~150 graus quando o titânio é atualizado do grau 2 para o grau 7 (Ti-0,15% Pd). A 250 graus, o Grau 7 ainda corrói, mas a 0,5-1,0 mm por ano, ou 3-7 vezes mais lento que o Grau 2. A vida útil do tubo Grau 7 com espessura de parede de 2,0 mm é de 2 a 4 anos. Terceiro, uma luva termorretrátil de PTFE foi aplicada na bainha de titânio na região da gaxeta. A luva serve como uma barreira entre o titânio e a gaxeta para evitar o contato direto entre o metal e a fenda.

Conclusão: A espessura da parede não é suficiente por si só – é necessária a eliminação de fendas
Para um tubo de aquecimento de titânio em uma autoclave de alta-pressão com 5% de ácido acético e 200 ppm de cloreto a 250 graus, a espessura da parede necessária para resistir à corrosão em frestas sob uma gaxeta de PTFE é excessivamente enorme (4,0 mm ou mais) e oferece uma vida útil de menos de 18 meses. Esta temperatura de corrosão em frestas é linear (2-5 mm por ano), portanto, uma parede mais espessa significa apenas uma vida útil correspondentemente mais longa. A solução proposta é soldar a bainha de titânio diretamente em uma ponteira ou flange de titânio para remover a fenda ou usar titânio Grau 7 com uma barreira de manga de PTFE. Se for necessária uma penetração com gaxeta, especifique titânio Grau 7 com uma espessura de parede mínima de 2,5 mm, uma luva termorretrátil de PTFE sobre a área da gaxeta e um intervalo de inspeção de 6 meses para ranhuras em fendas. Forneça ao fabricante a temperatura operacional da autoclave, a concentração de cloreto e a vida útil estimada para determinar a melhor combinação de liga, espessura da parede e método de vedação. Neste ambiente severo, a espessura da parede não será suficiente.