溶融硫黄タンク (135 度、硫化水素と多硫化物を含む) に設置されたチタン浸漬ヒーターの場合、腐食は均一であり、寿命は鉄の総溶解量によって決まるのに、壁を厚くするとメリットがないのはなぜですか?

溶融硫黄中で使用するためのチタンヒーター設計における基本的なトレードオフ
Molten sulphur tanks are maintained at 135°C to keep sulphur in liquid form for transportation or processing. The sulfur is saturated with hydrogen sulfide (H₂S) and polysulfides (H₂S_x) in solution. Titanium immersion heaters are utilized because titanium has strong resistance to sulphur and sulphides at moderate temperatures. However, titanium corrodes in molten sulfur by a chemical process: Ti + 2S ->TiS₂ 腐食は一貫していて、1 つの領域に孔食や亀裂はありません。その速度は、H2S 含有量に応じて約 0.05 ～ 0.15 mm/年です。腐食は均一であるため、総金属損失 (肉厚の薄化) がヒーターの寿命を決定します。肉厚が厚くなると、それに比例して寿命も長くなります。肉厚が 2 倍になると耐用年数も 2 倍になります。しかし、それ以下では腐食が加速し、それ以上では腐食が停止するというしきい値はありません。この研究は、均一な腐食の場合の単純な線形スケーリングの理由と、溶融硫黄使用の場合の壁の最適な厚さ (1.5 ～ 2.0 mm) を示しています。

均一腐食のメカニズム: 機械的完全性への影響
チタン表面は、135 度の溶融硫黄中の硫黄および多硫化物と直接反応し、二硫化チタン (TiS2) の形成につながることが判明しました。 TiS 2 コーティングは比較的保護的ですが、流れる溶融硫黄によってゆっくりと溶解または剥がれ落ちます。腐食速度は線形反応速度 d=kt に従います。ここで、k は 0.05 ～ 0.15 mm/年です。不動態皮膜の破壊閾値、孔食の臨界温度、応力腐食割れのメカニズムはありません。腐食は浸漬された表面全体にわたって一貫して発生します。

局所的な攻撃はないため、穿孔までの時間は単純に次のようになります: t_perf=(開始肉厚) / (腐食速度)。腐食速度が 0.10 mm/ 年の場合、厚さ 2.0 mm の壁の場合、1.2 mm の壁では 12 年. 15年、1.5 mm の壁では . 20 年で穴が開きます。この関係は完全な直線です。したがって、壁が厚いほど、追加の材料に正比例して有利になります。ただし、チタンのコストも同様に厚さに比例して上昇します。極端に厚くすることによる非線形的な利点はありません。

熱性能への影響 : 熱伝達のペナルティ
壁を厚くすると、わずかではありますが実際の熱コストが発生します。典型的な熱流束2.0 W/cm$^2$の場合、溶融硫黄では対流抵抗が支配的になります(粘性が高いためh $\\約$ 500 W/m$^2$K)。 1.2 mm 壁の場合 R_cond=7.1e-5; 2.0 mm 壁の場合 R_cond=1.18e-4.全抵抗が 8% 増加するため、表面温度は 2 ～ 3 度上昇します。これにより腐食速度が少し速くなり (3 ℃上昇で約 10%)、厚い壁の利点がいくらか無効になります。 1.2 mm から 2.0 mm に増加することの全体的な利点は、寿命が 12 年から約 18 年に延長されることです (温度加速のため 20 年ではありません)。収益逓減の法則は、弱いとはいえ成り立ちます。

肉厚と耐用年数の間のトレードオフ-
肉厚 (mm) 135 度での腐食速度 (mm/年) 温度加速係数 実効腐食速度 (mm/年) 穿孔までの時間 (年) 相対材料コスト 1.0 mm 0.10 1.00× 0.10 10 年 1.0× 1.2 mm 0.10 1.02× 0.102 11.8 年 1.2× 1.5 mm 0.10 1.05× 0.105 14.3 年1.5× 1.8 mm 0.10 1.08× 0.108 16.7 年 1.8× 2.0 mm 0.10 1.10× 0.110 18.2 年 2.0× 2.5 mm 0.10 1.15× 0.115 21.7 年 2.5×
厚さ 2.0 mm の壁の耐用年数は 18 年で、厚さ 1.0 mm の壁より 80% 長くなりますが、材料コストは 100% 高くなります。 1.5 mm の壁は 50% 高い費用で 14 年間使用でき、多くの場合、最も経済的です。

壁の背後のエンジニアリング: 硫黄の温度管理と品質
溶融硫黄中の H2S 濃度は、腐食速度にとって非常に敏感なパラメーターです。純粋な硫黄 (低 H2S) では、その速度は年間 0.03 mm ほどです。 H2S と多硫化物を多く含む酸性硫黄は、年間 0.25 mm にも達することがあります。硫黄の品質が悪い場合は、壁を厚くする必要がありますが、より良いアプローチは、硫黄タンクに窒素を散布して H2S を除去し、腐食率を 70 ～ 80 % 低減することです。窒素スパージング 30+ 年 1.2mm 壁 温度管理も重要です。タンクの温度を 135 度から 125 度に下げると腐食率が約 40% 減少し、壁を薄くすることができます。

結論: 線形の利点-寿命とコストの関数として壁を選択する
H2S と多硫化物を含む 135 度の溶融硫黄タンク内のチタン浸漬ヒーターでは、腐食が均一であり、寿命は溶解した金属の総量に依存するため、壁を厚くすると役立ちます。壁の厚さを 2 倍にすると、耐用年数がほぼ 2 倍になります (温度加速による多少のペナルティはあります)。推奨壁厚: 10 年間の耐用年数で 1.2 ～ 1.5 mm。 15 年間の寿命で 1.5 ～ 1.8 mm。 2.0 ～ 2.5 mm で 20 年の寿命。しきい値効果はありません (厚い壁は機能しません)。最も経済的な選択は通常 1.5 mm で、1.0 mm の壁より 50% 大きい場合は 14 年の寿命が得られます。メーカーが正確な腐食速度を計算できるように、H₂S の推定濃度と動作温度をメーカーに提供してください。溶融硫黄を使用する場合、壁の厚さは直接的な線形設計変数です。厚いほど良いですが、高価になります-必要な生活に合わせて選択してください。