Como a geometria da fenda (material da junta e torque da braçadeira) influencia o tempo de início da corrosão na fenda em tubos de aquecimento de titânio em lagoas de evaporação de sal?

As lagoas de evaporação de sal para a produção de cloreto de sódio, cloreto de potássio e outros sais de salmouras são operadas em temperaturas de 40-60 graus e concentrações de cloreto desde a saturação (cerca de 26% NaCl) até a supersaturação com precipitação de cristais de sal. Tubos de aquecimento de titânio são usados ​​para manter a temperatura de evaporação e prevenir a cristalização de superfícies de transferência de calor. O modo de falha dominante, entretanto, é a corrosão em frestas nas juntas do tubo-com o espelho do tubo, sob as juntas e sob as fixações dos grampos. Ao contrário de muitos problemas de corrosão de titânio que são uma função principalmente da química da liga ou da espessura da parede, o tempo de início da corrosão em fendas no serviço de evaporação de sal é significativamente afetado por parâmetros de projeto mecânico, como geometria da fenda (largura e profundidade da folga), material da junta e torque de fixação. Este artigo avalia o efeito dessas variáveis ​​no tempo para o aparecimento de fissuras e oferece sugestões de projeto para prolongar a vida útil do aquecedor em serviço em lagoas salinas.

Mecanismo de corrosão em frestas em salmoura saturada de cloreto.
A salmoura saturada ou quase saturada de cloreto de sódio a 50 graus é muito agressiva devido à concentração de cloreto (cerca de 5,4 M Cl-) e alta força iônica na solução a granel. Mas o titânio é passivo em salmoura a granel, pois não há pH baixo associado ao alto teor de cloreto. A principal condição para a corrosão em fendas é a falta de oxigênio na fenda. A dissolução anódica do titânio produz Ti4+ que hidrolisa para formar H+. Como resultado, o pH dentro da fenda diminui para 2-3 quando o oxigênio se esgota. Para salmoura saturada de cloreto, uma pequena redução no pH leva a uma condição na qual o titânio não pode ser repassivado e a corrosão em fendas se propaga rapidamente.

O tempo de iniciação, isto é, o tempo antes do início do ataque persistente em fendas, está relacionado com a taxa de esgotamento de oxigênio e a taxa de queda do pH abaixo do limiar de repassivação. Ambos são controlados pela geometria da fenda, pela permeabilidade do material da junta ao oxigênio e pela pressão de contato entre a junta e a superfície de titânio.

Efeitos da largura da fenda
Dos parâmetros geométricos, o mais crítico é a largura do vão entre o tubo de titânio e a superfície oposta (placa do tubo, gaxeta ou braçadeira). Para uma largura de lacuna específica, a taxa de difusão do oxigênio na fenda é proporcional ao cubo da lacuna (lei de Fick para um canal estreito). Lacunas maiores permitem a reposição de oxigênio, o que retarda o esgotamento e prolonga o tempo de iniciação. lacunas menores levam a maior esgotamento de oxigênio.

O exame controlado de amostras de titânio Grau 2 com fissuras artificiais de largura de lacuna controlada, em NaCl saturado a 50 graus, pH 7,0, mostrou os seguintes tempos de início (tempo para ataque visível sob ampliação de 10x):

Em uma largura de folga de 0,05 mm (típico de uma junta de PTFE bem{1}}torqueada contra um flange usinado), o esgotamento do oxigênio ocorre em 24 a 48 horas e o ataque em fendas começa em 50 a 100 horas. Na largura da folga de 0,10 mm, a iniciação ocorre às 200-300 horas. Com uma largura de intervalo de 0,25 mm, o início estende-se até 500 a 1000 horas. A difusão de oxigênio permite que a passividade seja mantida e, portanto, nenhum ataque em fendas é detectado em uma abertura de 0,50 mm após 5.000 horas. Com uma largura de folga superior a 1,0 mm, a geometria não é mais uma fenda, mas uma folga aberta. Nenhum ataque ocorre.

Na prática isto significa que fendas muito estreitas (menos de 0,1 mm) são as mais perigosas. Os projetistas devem deixar as folgas maiores que 0,5 mm (juntas grossas ou espaçadores) ou eliminá-las (juntas soldadas).

Efeitos da profundidade da fenda
A extensão da fenda (a distância que a lacuna penetra sob a gaxeta ou na placa do tubo) determina a quantidade de-superfície esgotada de oxigênio disponível para dissolução anódica. A iniciação é acelerada para fendas mais profundas porque elas têm zonas maiores-depletadas de oxigênio e caminhos de difusão mais longos para uma determinada largura de lacuna.

Para uma determinada largura de fenda de 0,1 mm, o tempo de iniciação é reduzido de 300 horas para 100 horas à medida que a profundidade da fenda aumenta de 5 mm para 20 mm. A 50 mm de profundidade, a iniciação ocorre às 40-50 horas. Evite fissuras com profundidade superior a 15 mm para manutenção no evaporador de sal. As junções-de tubo e espelho de tubo devem ser projetadas para ter uma fenda rasa (menos de 10 mm de profundidade) ou ser soldadas para eliminar a fenda.

Permeabilidade do material da junta
Os materiais das juntas variam em sua permeabilidade ao oxigênio e em sua capacidade de absorver salmoura, ambos influenciando a química das fendas. gaxetas não-porosas e não{2}}permeáveis ​​(PTFE, PEEK, metal) fornecem uma vedação hermética e não permitem a difusão de oxigênio através da própria gaxeta, acelerando, portanto, o esgotamento de oxigênio dentro da fenda. Borracha macia, EPDM, silicone (juntas porosas e permeáveis): Algum oxigênio pode se difundir através do corpo da gaxeta para substituir a fenda e retardar o início.

Diferentes materiais de vedação foram testados (folga de 0,1 mm, profundidade de 10 mm, NaCl saturado a 50 graus) e os resultados são:

Junta de PTFE (impermeável) – início às 200-300 horas. Borracha EPDM (permeabilidade moderada): início em 400–600 horas. Borracha de silicone (alta permeabilidade) 800 a 1.200 horas para começar. Sem gaxeta (contato-de metal com metal, folga efetivamente zero, interface porosa). Iniciação acima de 2.000 horas com ataque apenas moderado.

A desvantagem-é que as juntas permeáveis ​​absorvem a salmoura e incham, o que pode alterar a geometria da lacuna ao longo do tempo. O silicone e o EPDM se decompõem durante longos períodos de tempo (2 a 5 anos) em salmoura quente e precisam ser substituídos.

Torque de fixação e pressão de contato
A pressão exercida na junta e na interface de titânio é função do torque usado para apertar a braçadeira. Mais torque significa vedações mais apertadas, o que significa que a largura efetiva da folga é reduzida e menos oxigênio é difundido. Um torque mais baixo (sob as limitações de vedação) resulta em uma folga efetiva um pouco maior, portanto, um início de fenda mais lento.

Testar uma junta de PTFE em um flange de tubo de 50 mm de diâmetro com NaCl saturado a 50 graus fornece:

Torque 20 N·m (baixo) Folga efetiva 0,15-0,20 mm A partir de 400-600 horas. Torque 40 Nm (padrão) Folga efetiva 0,08-0,12 mm Início 200-300 horas Torque 60 N·m (alto): folga efetiva 0,04-0,07 mm, início 50-100 horas.

A melhor maneira de fazer a manutenção de um evaporador de sal é aplicar a menor quantidade de torque que proporcione uma vedação, geralmente 50 a 60 por cento do máximo sugerido para o material da junta. Esta técnica aumenta a folga efetiva sem vazamento.

Matriz de aplicação de projeto de fenda para evaporadores de sal
Parâmetro de projeto Valor preferido para mecanismo de vida útil prolongada Tempo esperado para início da fenda (NaCl saturado, 50 graus)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5.000 horas (sem ataque)
Largura da lacuna (se<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
Profundidade da fenda<10 mm Anode area limited 300-500 hours
Material da junta EPDM ou silicone (permeável) Difusão de oxigênio da junta400 a 1.200 horas.
Torque de fixação mín. torque de vedação (50-60% do máximo)Maximiza a folga efetiva 2-3 vezes mais que o torque alto
Tubo de junta-tubesheetSoldas (penetração total)Sem agressão em fendas (apenas corrosão) Remove fendas
Dicas práticas sobre aquecedores de evaporador de sal
Em lagoas de evaporação de sal, o melhor projeto para tubos de aquecimento de titânio é aquele em que todas as fissuras são eliminadas por acoplamentos de tubo soldado de-penetração total-a-folha de tubo. Onde forem necessárias conexões removíveis, use uma junta perfurada ou nervurada para preservar a separação e especifique uma largura de folga de 0,20 a 0,30 mm. Use juntas de EPDM ou silicone (classificadas para salmoura de 60 graus) em vez de PTFE para aproveitar sua permeabilidade ao oxigênio. Aplique o torque mínimo de fixação que evitará vazamentos, conforme determinado pelo teste de bolha. Projete flanges com reentrâncias rasas para limitar a profundidade da fenda a 10 mm ou menos. Essas opções de projeto aumentam o tempo de início da fenda de 200 a 300 horas (junta de PTFE padrão, alto torque) para 2.000 a 5.000 horas antes da inspeção ser necessária, ou 3 a 6 meses de operação contínua. Agende inspeções anuais do aquecedor e limpe qualquer ataque incipiente de fissuras com polimento leve para operação em lagoas de sal 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para aplicações com período de manutenção de 5 anos, são necessárias juntas soldadas, mesmo que a geometria seja otimizada.