용융 유황 탱크(135도, 황화수소 및 다황화물 함유)에 설치된 티타늄 침지 히터의 경우 부식이 균일하고 수명이 총 철 용해에 의해 결정되기 때문에 벽이 두꺼워도 유익하지 않은 이유는 무엇입니까?

용융 유황 서비스를 위한 티타늄 히터 설계의 근본적인 균형
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 부식은 한 부분에서 움푹 들어가거나 갈라지지 않고 일관됩니다. 비율은 H2S 함량에 따라 약 0.05-0.15mm/년입니다. 부식은 균일하므로 총 금속 손실(벽 두께 감소)이 히터 수명을 좌우합니다. 벽 두께가 클수록 수명도 길어집니다. 벽 두께가 2배가 되면 수명도 2배로 늘어납니다. 그러나 부식이 가속화되는 임계값 두께나 부식이 멈추는 임계값 두께는 없습니다. (공식의 경우 벽이 두꺼워지면 수익이 감소합니다.) 이 연구는 균일한 부식의 경우 단순 선형 스케일링의 이유를 보여주고 용융 황 서비스의 경우 벽의 최적 두께(1.5-2.0mm)를 보여줍니다.

균일 부식 메커니즘: 기계적 완전성에 미치는 영향
티타늄 표면은 135도에서 용융된 황의 황 및 다황화물과 직접 반응하여 이황화티타늄(TiS2)이 형성되는 것으로 나타났습니다. TiS 2 코팅은 상대적으로 보호적이지만 흐르는 용융 황에 의해 천천히 용해되거나 부서집니다. 부식 속도는 선형 역학: d=kt를 따릅니다. 여기서 k는 0.05–0.15 mm/년입니다. 부동태 피막 파괴 임계값, 공식에 대한 임계 온도 및 응력 부식 균열에 대한 메커니즘이 없습니다. 부식은 침수된 표면 전체에 걸쳐 일관됩니다.

국부적인 공격이 없으므로 천공 시간은 간단합니다: t_perf=(시작 벽 두께) / (부식률). 부식률이 0.10mm/년이면 12년. 15년에 1.5mm 벽에. 20년 2.0mm 두께의 벽에 1.2mm 벽이 천공됩니다. 관계는 완벽한 직선입니다. 그러므로 추가 재료에 정비례하여 두꺼운 벽이 유리합니다. 그러나 티타늄의 가격은 두께에 따라 선형적으로 증가합니다. 지나치게 두꺼워도 비선형적인 이점은 없습니다.

열 성능 영향: 열 전달 패널티
벽이 두꺼울수록 작지만 실질적인 열 비용이 발생합니다. 2.0 W/cm$^2$의 일반적인 열 유속의 경우 대류 저항은 용융 황에서 지배적입니다(높은 점도로 인해 h $\\about$ 500 W/m$^2$K). 1.2mm 벽의 경우 R_cond=7.1e-5; 2.0mm 벽용 R_cond=1.18e-4. 총 저항은 8% 증가하므로 표면 온도는 2~3도 증가합니다. 이로 인해 부식 속도가 약간 빨라지고(3'C 상승 시 약 10%) 두꺼운 벽의 이점이 다소 무효화됩니다. 1.2mm에서 2.0mm로 증가하는 전반적인 이점은 수명이 12년에서 약 18년으로 연장된다는 것입니다(온도 가속으로 인해 20년이 아님). 수익 감소의 법칙은 비록 약하긴 하지만 유지됩니다.

벽 두께와 사용 수명 사이의-상충관계
벽 두께(mm) 135도에서의 부식률(mm/yr) 온도 가속 계수 유효 부식률(mm/yr)천공 시간(년) 상대 재료 비용 1.0mm 0.10 1.00× 0.10 10년 1.0× 1.2 mm 0.10 1.02× 0.102 11.8년 1.2× 1.5 mm 0.10 1.05× 0.105 14.3년 1.5× 1.8 mm 0.10 1.08× 0.108 16.7년 1.8× 2.0 mm 0.10 1.10× 0.110 18.2년 2.0× 2.5 mm 0.10 1.15× 0.115 21.7년 2.5×
2.0mm 두께의 벽은 18년의 사용 수명을 가지며, 이는 1.0mm 두께의 벽보다 80% 더 길지만 재료 비용은 100% 더 높습니다. 1.5mm 벽은 50% 더 많은 비용으로 14년을 제공하며, 이는 종종 최고의 경제적 포인트입니다.

벽 뒤의 엔지니어링: 온도 제어 및 유황 품질
용융 황의 H2S 농도는 부식 속도에 대해 매우 민감한 매개변수입니다. 순수 황(낮은 H2S)의 경우 비율은 0.03mm/년만큼 낮습니다. 높은 H2S와 다황화물을 함유한 산성 황은 연간 0.25mm까지 높을 수 있습니다. 황 품질이 좋지 않으면 더 두꺼운 벽이 필요하지만 더 나은 접근 방식은 황 탱크에 질소를 살포하여 H2S를 제거하여 부식 속도를 70~80% 줄이는 것입니다. 질소 살포 30+년 1.2mm 벽 온도 관리도 중요합니다. 탱크 온도를 135도에서 125도로 낮추면 부식 속도가 약 40% 감소하므로 벽이 더 얇아집니다.

결론: 선형적 이점-수명과 비용의 함수로 벽 선택
부식이 균일하고 수명이 용해된 금속의 총량에 따라 달라지기 때문에 H2S 및 다황화물이 포함된 135도의 용융 유황 탱크에 있는 티타늄 침지 히터에 두꺼운 벽이 도움이 됩니다. 벽 두께를 두 배로 늘리면 서비스 수명이 대략 두 배로 늘어납니다(온도 가속으로 인해 약간의 불이익이 있음). 권장 벽 두께: 10년 동안 1.2~1.5mm; 15년 동안 1.5~1.8mm; 20년 동안 2.0~2.5mm. 임계값 효과가 없습니다(두꺼운 벽은 작동하지 않음). 경제적으로 가장 좋은 선택은 일반적으로 1.5mm이며, 이는 1.0mm 벽보다 50% 더 큰 벽에서 14년의 수명을 제공합니다. 정확한 부식률을 계산할 수 있도록 H2S의 예상 농도와 작동 온도를 제조업체에 제공하십시오. 용융 유황 서비스의 경우 벽 두께는 직접적인 선형 설계 변수입니다. 두꺼울수록 좋지만 더 비쌉니다.-필요한 수명에 맞게 선택하세요.