厚い（2.0 mm）チタン壁が薄い（1.0 mm）壁よりも過酸化物誘発脆性破壊に対して優れた保護を提供するのはなぜですか?{1}}

たとえば、漂白、化学合成、または廃水処理プロセスにおいて、過酸化水素 (H2O2) を含む溶液中でチタン浸漬ヒーターを稼働させるプロセス エンジニアは、過酸化物による脆性破壊の危険性を重要な設計要素として評価する必要があります。チタン表面では、過酸化水素が分解して原子状酸素を生成し、特定の条件下では原子状水素を生成します。水素がチタン格子内に拡散し、脆い水素化チタン (TiHx) を形成します。厚い壁（2.0 mm）は、薄い壁（1.0 mm）よりも水素化物誘起脆性破壊に対して優れた保護を提供します。これは、水素が臨界濃度に達するまでの拡散距離が長くなり、表面水素化物生成後に残存する壁の厚さが厚くなるという 2 つのメカニズムによるものです。定量的研究によると、2.0 mm の壁は 1.0 mm の壁に比べて脆性破壊が起こるまでの 4 ～ 8 倍の水素吸収に耐え、過酸化物使用時の耐用年数が 3 ～ 6 倍伸びることが示されています。

過酸化物-がチタンに水素を吸収するメカニズム
Titanium surfaces catalyze the exothermic decomposition of hydrogen peroxide . 2H2O2 ->2H2O + O2。この破壊により、通常、TiO2 不動態皮膜を安定化させる非常に酸化的な環境が形成されます。ただし、過酸化物濃度が高いか温度が 60 度を超える局所的な領域では、H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O (陰極還元)という二次反応が発生し、中間体として原子状水素が得られます。原子状水素は、H2 ガスとして再結合するのではなく、チタン格子に吸収されます。チタンの内部に入ると、水素は引張応力の領域 (通常は温度サイクル中の外表面) に拡散します。水素化チタン (TiH2) の沈殿は、局所的な水素濃度が重量で約 150 ppm (150 ppmw) を超えると発生します。水素化物小板は脆く、約 17% の体積膨張を引き起こし、亀裂を誘発する内部応力を生成します。骨折は急速かつ重度であり、前兆はほとんどありません。

水素化物耐破壊性に対する壁厚の影響の定量化
壁の厚さ (mm) 表面で臨界 H 濃度 (150 ppmw) に達するまでの時間 (月) 表面が 150 ppmw に達したときの中壁の臨界 H 濃度 (ppm w) -壁水素化物亀裂までの時間 (月) 相対寿命 1.0 3 120 4-5 1.0x 1.2 4 100 6-7 1.5x 1.5 6 80 9-11 2.2x 1.7 7 70 11-14 2.8x 2.0 9 55 15-20 4.0x 2.5 12 40 22-30 6.0x
2.0 mm の壁は、同じ過酸化物処理で 1.0 mm の壁のほぼ 4 倍の寿命をもたらします。壁が厚くなると、水素が中間壁に拡散して臨界濃度に達するまでに時間がかかり、水素化物の形成が始まると、壁が厚くなると構造の安定性も高まります。

過酸化物サービスの壁厚選択に関するシナリオベースのガイド
過酸化物の温度と濃度H2O2 の分解速度推奨される壁の厚さ期待寿命故障モード
1–5% H₂O₂、40 度 (漂白、低危険)1.5 mm < 5-8 年 均一腐食 (非水素化物)
5 ～ 15% H₂O₂、50 度（中リスク） 中 1.5 ～ 2.0 mm 3 ～ 5 年 最初の溶接部での水素化物 15 ～ 30% H₂O₂、60 度（高リスク） 高 2.0 ～ 2.5 mm 1.5 ～ 3 年 > マルチ-亀裂核生成、水素化物亀裂 30% H₂O₂、> 60 度 非常に高い 推奨されません<1 yearUse Tantalum Equipment or PTFE Lined
断続的暴露 (バッチ手順) 累積 1.5 mm 未満 2 ～ 4 年 許容可能 水素化物の相乗効果 + 熱サイクル
H2O2 (高純度、リン酸塩安定化) 安定剤カット 1.5 mm 4 ～ 6 年 安定剤により分解と水素吸収が減少します
過酸化物 + 塩化物 (最悪の場合) 相乗的 最小 2.5 mm 1 ～ 2 年 複合塩化物孔食 + 水素化物分解
過酸化物サービスのエンジニアリングによる軽減策
厚肉チタンを使用した過酸化物サービスの場合、さまざまな追加手順により寿命がさらに延長されます。{0}最善の方法は、チタンの表面を冷却することです。水素吸収率は、シース温度が 10 度低下するごとに約 40 ～ 50 パーセント減少します。 70 度ではなく 50 度で実行すると、寿命が 3 ～ 4 倍長くなります。別のアプローチは、過酸化物安定剤 (スズ酸ナトリウム、ピロリン酸ナトリウム、またはホスホン酸) を溶液に添加することです。安定剤はチタン表面での H2O2 の触媒分解を防ぎ、酸素の発生と水素の吸収を減らします。安定化された過酸化物溶液からの水素取り込み速度は、安定化されていない溶液からの水素取り込み速度よりも 70 ～ 90% 低くなります。 3 番目の対策は、チタン ヒーターを定期的にアニールすることです。ヒーターは真空中で 400 度まで 4 時間加熱されます。これにより、吸収された水素が追い出され、延性が回復します。この方法を年に 1 回実行すると、水素濃度を効果的にゼロ近くにリセットできます。

結論: 2.0 mm の壁は過酸化物サービスで 4 倍の寿命 v. 1.0 mm を提供します
厚い（2.0 mm）チタン壁は、薄い（1.0 mm）壁と比較して、過酸化物による脆性破壊に対して優れた保護を提供します。これは、水素が厚い部分を通って拡散し、中間壁で臨界濃度に達するまでにかなり長い時間を必要とするためです。 1.0 mm の壁は、60 度、10 ～ 15% H2O2 中での水素化物脆化から 4-5 か月で亀裂が入りますが、2.0 mm の壁は 15 ～ 20 か月持続し、寿命が 4 倍延長されます。チタンは、壁の厚さに関係なく、過酸化物濃度が高い場合（30% 以上）や温度（70 度以上）では推奨されません。過酸化物を含むサービスにチタン ヒーターを指定する場合は、コストと予測される水素化物破壊寿命のバランスがとれた適切な壁厚の選択を容易にするために、過酸化物濃度、温度、安定剤の有無、および予想される 1 日あたりの動作時間数をサプライヤーに提供する必要があります。