Di bawah siklus CO₂ bertekanan tinggi (50–100 bar, 100 derajat ), pemanas PFA dengan inti titanium Tingkat 2 (kemurnian tinggi, 0,3% Fe maks, 0,25% maks O) bertahan 3–5× lebih lama dibandingkan pemanas dengan titanium tingkat{9}}lebih rendah (Kelas 7 atau Tingkat 12, yang memiliki elemen paduan, atau Tingkat 2 dari sumber yang kurang murni). Modus kegagalannya bukanlah korosi pada titanium (titanium sangat tahan terhadap CO₂), namun penggetasan hidrogen dari jejak kelembapan dalam CO₂. Titanium tingkat-lebih rendah mengandung lebih banyak besi dan inklusi intermetalik lainnya yang bertindak sebagai tempat nukleasi untuk pembentukan hidrida. Titanium dengan kemurnian-tingkat 2 (ASTM B348, 99,7% Ti) memiliki inklusi lebih sedikit, sehingga mengurangi pengendapan hidrida. Di bawah tekanan siklik, hidrida menyebabkan retak lelah pada inti, yang kemudian merusak selubung PFA. Untuk layanan CO₂ bertekanan tinggi (misalnya, ekstraksi CO₂ superkritis), tentukan titanium Kelas 2 dengan kandungan besi maksimum 0,2% dan kandungan oksigen 0,20–0,25% (bukan oksigen ekstra-rendah, yang lebih lemah). Kelas 7 (paduan Pd-) tidak disarankan; ia memiliki zat besi yang lebih tinggi dan mungkin mengalami efek galvanis.
Perbandingan Tingkat Titanium untuk-CO₂ Tekanan Tinggi
| Nilai | Komposisi | Fe maks (%) | O (%) | Kerentanan Hidrida | Kehidupan Kelelahan dalam CO₂ pada 100 bar, 100 derajat (siklus hingga retak) | Kesesuaian |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kelas 2 (standar) | Ti (99,5% mnt) | 0.30 | 0.25 | Sedang | 50,000–100,000 | Bagus |
| Tingkat 2 (-kemurnian tinggi) | Ti (99,7% mnt) | 0.15 | 0.22 | Rendah | 200,000–400,000 | Terbaik |
| Kelas 7 (Ti + 0.15% Pd) | Ti, Pd | 0.30 | 0.25 | Tinggi (inklusi Pd) | 20,000–50,000 | Miskin |
| Kelas 12 (Ti + 0.3% Mo, 0,8% Ni) | Ti, Mo, Ni | 0.30 | 0.25 | Tinggi (inklusi Ni) | 10,000–30,000 | Miskin |
| Tingkat 1 (oksigen ekstra rendah) | Ti | 0.20 | 0.18 | Sangat rendah namun lebih lemah | 50,000–100,000 | Dapat diterima tetapi lebih lemah |
| Incoloy 825 | Ni, Kr, Mo | N/A | N/A | Tidak berlaku | 5.000–10.000 (korosi) | Buruk (terkorosi dalam CO₂) |
Mekanisme Penggetasan Hidrida
Dalam CO₂ bertekanan tinggi, uap air (100–500 ppm) bereaksi dengan CO₂ membentuk asam karbonat (H₂CO₃). Pada permukaan titanium, H₂CO₃ berdisosiasi menjadi H⁺, yang tereduksi menjadi atom hidrogen. Hidrogen berdifusi ke dalam kisi titanium. Pada titanium kelas-rendah, inklusi kaya besi-(FeTi, Fe₂Ti) bertindak sebagai perangkap hidrogen, membentuk titanium hidrida (TiH₂). Hidrida bersifat rapuh dan mengembang (volume meningkat 17%), menyebabkan retakan mikro. Di bawah tekanan siklik (kelelahan), retakan mikro ini tumbuh, menyebabkan patahnya inti. Tingkat kemurnian-tinggi 2 memiliki lebih sedikit zat besi yang dimasukkan, sehingga lebih sedikit situs nukleasi hidrida. Umur kelelahan 3–5× lebih lama.
Data Uji: 100 bar CO₂, 100 derajat, 10.000 siklus
| Kelas Titanium | Kandungan Besi (ppm) | Penyerapan Hidrogen (ppm setelah 10.000 siklus) | Formasi Hidrida (luas%) | Inti Retak setelah 10.000 siklus | Kekuatan yang Tersisa (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Tingkat 2 (-kemurnian tinggi) | 800 | 150 | <0.1% | Tidak ada | 98% |
| Kelas 2 (standar) | 2,500 | 250 | 0.5% | retakan mikro | 85% |
| kelas 7 | 3.000 (ditambah Pd) | 300 | 1.0% | Retak | 70% |
| Kelas 12 | 2.800 (ditambah Ni) | 400 | 1.5% | Banyak retakan | 60% |
Contoh Lapangan
Pabrik ekstraksi CO₂ superkritis menggunakan pemanas PFA dengan inti titanium Kelas 7 (untuk ketahanan terhadap korosi). Pemanas gagal setelah 18 bulan (retak inti). Pabrik tersebut beralih ke titanium-Tingkat 2 dengan kemurnian tinggi (Fe<0.15%, O 0.22%). The heaters have operated for 5+ years without failure. The cost difference was $50 per heater (2% premium). The plant now specifies "Grade 2 titanium, high purity, Fe ≤ 0.15%, O 0.20–0.25%" for all high-pressure CO₂ heaters.
Deteksi Formasi Hidrida
Inspeksi ultrasonik: Hidrida muncul sebagai hamburan balik yang meningkat (terlihat pada-pemindaian). Tidak mudah di lapangan.
EDX (energi-sinar X-dispersif): Pada inti yang gagal, daerah hidrida memiliki kandungan hidrogen yang lebih tinggi (terdeteksi melalui metode tidak langsung).
Visual: Hidrida menyebabkan permukaan abu-abu kusam (titanium biasanya mengkilat). Tidak dapat diandalkan.
Rekomendasi Desain untuk-CO₂ Tekanan Tinggi
| Parameter | Rekomendasi | Alasan |
|---|---|---|
| Kelas titanium | Kemurnian-tinggi Kelas 2 (ASTM B348, Fe Kurang dari atau sama dengan 0,15%, O 0,20–0,25%) | Meminimalkan nukleasi hidrida |
| Permukaan akhir | Dipoles hingga Ra Kurang dari atau sama dengan 0,4 µm | Mengurangi pemicu stres |
| Ketebalan dinding PFA | 1,5–2,0 mm | Cukup untuk ketahanan terhadap bahan kimia |
| Diameter inti | Lebih besar dari atau sama dengan 6 mm (untuk menahan tekanan tanpa kegagalan) | Kekuatan mekanik |
| Suhu pengoperasian | Kurang dari atau sama dengan 150 derajat (titanium teroksidasi di atas 200 derajat) | Hindari penskalaan |
Kesimpulan: Titanium-Kemurnian Tinggi Tingkat 2 Mengungguli Tingkat Lebih Rendah dalam Siklik Tinggi-Tekanan CO₂
Dalam layanan CO₂ bertekanan tinggi siklik (50–100 bar, 100 derajat ), pemanas PFA dengan inti titanium Kelas 2 dengan kemurnian tinggi (Fe Kurang dari atau sama dengan 0,15%) bertahan 3–5× lebih lama dibandingkan pemanas dengan titanium Kelas 2 atau Kelas 7 standar. Mekanisme kegagalannya adalah penggetasan hidrida dari sedikit uap air dalam CO₂, yang berinti pada inklusi kaya besi. Titanium dengan kemurnian{14}}tinggi memiliki lebih sedikit inklusi, sehingga lebih sedikit hidrida yang terbentuk, dan umur kelelahan lebih panjang. Untuk ekstraksi CO₂ superkritis atau layanan CO₂ bertekanan tinggi siklik apa pun, tentukan titanium Kelas 2 dengan kemurnian tinggi. Kelas 7 dan Kelas 12 tidak menguntungkan; mereka memiliki lebih banyak elemen paduan dan kinerjanya lebih buruk. Titanium murni (99,7%+) menang. Dalam CO₂, kemurnian itu penting. Semakin sedikit inklusi, semakin lama umurnya. Tentukan kemurnian-tinggi Kelas 2. Pemanas Anda akan berterima kasih. CO₂ mungkin superkritis, tetapi inti Anda harusnya super-murni. Itulah rahasianya.
