隙間の形状 (ガスケットの材質とクランプ トルク) は、塩分蒸発池内のチタン加熱管の隙間腐食の開始時間にどのような影響を及ぼしますか?

塩水から塩化ナトリウム、塩化カリウム、その他の塩を製造するための塩蒸発池は、温度 40- 60 度、塩化物濃度は飽和 (約 26% NaCl) から塩の結晶が沈殿する過飽和までで運転されます。チタン製加熱管は、蒸発温度を維持し、伝熱面の結晶化を防ぐために使用されます。ただし、主な故障モードは、管-の接合部、ガスケットの下、およびクランプ取り付け部の下の隙間腐食です。主に合金の化学的性質や肉厚に依存する多くのチタン腐食問題とは異なり、塩蒸発サービスにおける隙間腐食の開始時間は、隙間の形状 (ギャップの幅と深さ)、ガスケットの材質、クランプ トルクなどの機械設計パラメータに大きく影響されます。この論文では、亀裂が発生するまでの時間に対するこれらの変数の影響を評価し、塩池での使用におけるヒーターの寿命を延ばすための設計提案を提供します。

飽和塩化物塩水における隙間腐食のメカニズム。
50 度の飽和またはほぼ飽和の塩化ナトリウムブラインは、バルク溶液中の塩化物濃度 (約 5.4 M Cl-) と高いイオン強度により、非常に攻撃的です。しかし、チタンは、高い塩化物含有量に伴う低い pH が存在しないため、バルクブライン中では不活性です。すきま腐食の主な条件は、すきま内の酸素欠乏です。チタンの陽極溶解により Ti4+ が生成され、これが加水分解して H+. を形成します。その結果、酸素が枯渇すると、隙間内の pH は 2 ～ 3 に低下します。飽和塩化物塩水の場合、pH がわずかに低下すると、チタンが再不動態化できなくなり、隙間腐食が急速に広がる状態が生じます。

開始時間、つまり持続的な隙間攻撃が始まるまでの時間は、酸素の枯渇速度と再不動態化閾値を下回る pH の低下速度に関係します。どちらも、隙間の形状、酸素に対するガスケット材料の透過性、およびガスケットとチタン表面の間の接触圧力によって制御されます。

隙間ギャップ幅の影響
幾何学的パラメータの中で最も重要なのは、チタンチューブと反対側の表面 (チューブシート、ガスケット、またはクランプ) の間のギャップの幅です。特定のギャップ幅では、隙間への酸素の拡散速度はギャップの 3 乗に比例します (狭いチャネルに関するフィックの法則)。ギャップが大きいと酸素の補充が可能になり、枯渇が遅れ、開始時間が延長されます。ギャップが小さいほど、より多くの酸素が枯渇します。

制御されたギャップ幅の人工亀裂を備えたチタン グレード 2 試験片を、50 度、pH 7.0 の飽和 NaCl 中で制御した検査では、次の開始時間 (10 倍の倍率で目に見える攻撃までの時間) が示されました。

ギャップ幅 0.05 mm (機械加工されたフランジに対してよく締め付けられた PTFE ガスケットの典型的な例) では、酸素の枯渇は 24 ～ 48 時間で発生し、隙間の攻撃は 50 ～ 100 時間で始まります。-ギャップ幅 0.10 mm では、200 ～ 300 時間で開始が起こります。ギャップ幅 0.25 mm では、開始は 500 ～ 1000 時間に及びます。酸素の拡散により不動態性が維持されるため、ギャップ幅 0.50 mm では 5,000 時間経過しても隙間攻撃は検出されません。ギャップ幅が 1.0 mm を超えると、ジオメトリは隙間ではなくなり、開いたギャップになります。攻撃は行われません。

実際には、これは非常に狭い隙間 (0.1 mm 未満) が最も危険であることを意味します。設計者は、隙間を 0.5 mm より広くするか (厚いガスケットまたはスタンドオフ)、隙間をなくす (溶接接合) 必要があります。

隙間の深さの影響
隙間の範囲（隙間がガスケットの下または管板に貫通する距離）によって、陽極溶解に利用できる酸素欠乏表面の量が決まります。{0}}より深い隙間では、所定のギャップ幅に対して酸素欠乏ゾーンが大きくなり、拡散経路が長くなるため、開始が加速されます。-

ギャップ幅が 0.1 mm の場合、隙間の深さが 5 mm から 20 mm に増加するにつれて、開始時間は 300 時間から 100 時間に短縮されます。深さ 50 mm では、開始は 40-50 時間で起こります。塩蒸発装置を使用する場合は、亀裂の深さが 15 mm を超えることを避けてください。チューブ-とチューブシートの接合部は、浅い隙間（深さ 10 mm 未満）を設けるか、全体を溶接して隙間をなくすように設計する必要があります。

ガスケット材質の浸透性
ガスケットの材質は酸素透過性と塩水を吸収する能力が異なり、どちらも隙間の化学的性質に影響します。非多孔質、非透過性のガスケット（PTFE、PEEK、金属）（PTFE、PEEK、金属）は-、ガスケット自体を通した酸素の拡散を許さないため、隙間内の酸素の減少が促進されます。軟質ゴム、EPDM、シリコン (多孔質、透過性ガスケット): 酸素の一部がガスケット本体を通って拡散し、隙間を埋めて開始を遅らせる可能性があります。

さまざまなガスケット材料をテストしました (ギャップ 0.1 mm、深さ 10 mm、50 度の飽和 NaCl) の結果は次のとおりです。

PTFE ガスケット (不浸透性) – 200-300 時間で開始。 EPDM ゴム (中程度の透過性): 400 ～ 600 時間で開始。シリコーンゴム（高浸透性） 始動まで800～1,200時間。ガスケットなし (金属-}接触、事実上ギャップゼロ、多孔質界面) 2000 時間を超えると中程度の攻撃で開始。

その代償として、浸透性ガスケットが塩水を吸収して膨張し、時間の経過とともにギャップの形状が変化する可能性があります。{0}}シリコンと EPDM は高温の塩水中で長期間 (2 ～ 5 年) を続けると劣化するため、交換する必要があります。

クランプトルクと接触圧力
ガスケットとチタンの境界面にかかる圧力は、クランプを締め付けるトルクに応じて変化します。トルクが大きいほど密閉性が高くなり、有効ギャップ幅が減少し、酸素の拡散が少なくなります。トルクが低い（シール制限の下で）と、有効ギャップが若干大きくなり、したがって隙間の開始が遅くなります。

直径 50 mm のチューブ フランジ上の PTFE ガスケットを 50 度の飽和 NaCl でテストすると、次の結果が得られます。

トルク 20 N・m (低) 有効ギャップ 0.15 ～ 0.20 mm 始動 400 ～ 600 時間。トルク40N・m（標準） 有効ギャップ0.08～0.12mm 始動200～300時間 トルク60N・m（高）：有効ギャップ0.04～0.07mm、始動50～100時間。

塩蒸発器を保守する最良の方法は、シールを提供する最小量のトルク (通常はガスケット材料に対して推奨されている最大値の 50 ～ 60 パーセント) を適用することです。この技術により、漏れなく実効ギャップが増加します。

塩蒸発器の隙間設計アプリケーション マトリックス
設計パラメータ 寿命延長メカニズムの推奨値 隙間が発生するまでの予想時間 (飽和 NaCl、50 度)
Gap width >0.5 mm (or welded)Oxygen diffusion sustained >5,000 時間 (攻撃なし)
ギャップ幅 (場合<0.5 mm unavoidable) 0.20-0.30 mmReduces oxygen depletion 500-1000 hrs
隙間の深さ<10 mm Anode area limited 300-500 hours
ガスケット材質 EPDMまたはシリコン（透過性） ガスケットの酸素拡散400～1,200時間。
クランプトルク 最小シールトルク (最大の 50 ～ 60%) 有効ギャップを最大化し、高トルクの 2 ～ 3 倍長くします
ジョイント チューブ-チューブシート溶接（完全貫通）隙間攻撃なし（ピットのみ）隙間を除去
塩蒸発器ヒーターに関する実践的なヒント
塩蒸発池では、チタン加熱管の最適な設計は、{0}}管-と管板の結合部を完全に溶け込ませてすべての亀裂を除去する設計です。取り外し可能な接続が必要な場合は、分離を維持するために穴あきガスケットまたはリブ付きガスケットを使用し、ギャップ幅を 0.20 ～ 0.30 mm に指定します。酸素透過性を利用するには、PTFE の代わりに EPDM またはシリコン ガスケット (60 度のブラインに対応) を使用してください。気泡テストによって決定された、漏れを防止する最小限のクランプ トルクを適用します。隙間の深さを 10 mm 以下に制限するために、浅い凹みを備えたフランジを設計します。これらの設計の選択により、隙間の開始時間は、検査が必要になるまでの 200 ～ 300 時間 (標準 PTFE ガスケット、高トルク) から 2,000 ～ 5,000 時間、または 3 ～ 6 か月の連続運転に増加します。年に一度のヒーター検査をスケジュールし、塩池を 24 時間 365 日稼働させるために、軽い研磨によって初期の隙間の攻撃を取り除きます。メンテナンス期間が 5 年のアプリケーションの場合、形状が最適化されている場合でも、溶接継手が必要です。