海水および塩化物サービス用の熱交換器におけるチタンの役割は何ですか?

海水と塩化物-を含むプロセス流は、ステンレス鋼熱交換器に孔食や隙間腐食を引き起こすことで有名です。チタンは、中程度の温度までは塩化物による攻撃に対して完全に耐性があるため、これらのサービスの標準的な金属材料となっています。海洋および沿岸用途、および塩化物を含む化学プロセスでは、チタン熱交換器海水塩化物サービスこの組み合わせにより、比類のない信頼性と長い耐用年数が実現します。

腐食の課題: 塩化物とステンレス鋼

オーステナイト系ステンレス鋼 (304、316) は、耐食性を不動態酸化クロム皮膜に依存しています。ただし、塩化物イオンはこの皮膜に局所的に侵入し、急速に浸透する小さくて深い空洞の孔食を引き起こす可能性があります。-隙間（ガスケット、堆積物、またはチューブとチューブシートの接合部の下）では、塩化物濃度と酸素の欠乏により隙間腐食が促進されます。スーパー二相ステンレス鋼やニッケル合金（ハステロイ、インコネル）などの高性能合金でも、特定の条件下、特に高温では塩化物誘起応力腐食割れ（SCC）が発生する可能性があります。-

塩化物含有量が約 19,000 ppm の海水は特に攻撃的です。沿岸発電所、海水淡水化施設、海洋プラットフォーム、海洋冷却システムで使用される熱交換器には、塩化物の攻撃を受けない材料が不可欠です。

チタンの腐食メカニズム: 安定した酸化層

チタンは、その優れた耐食性を、粘り強く自然に形成される酸化膜 (主に TiO₂) から得ています。このフィルムは酸化環境において熱力学的に安定しており、重要なことに、塩化物イオンを通さないのが特徴です。ステンレス鋼の酸化クロム皮膜とは異なり、チタンの酸化物は塩化物の存在下では分解しません。また、自己修復性もあります。機械的に損傷した場合でも、膜は酸素または水の存在下で即座に再形成されます。-

その結果、海水やほとんどの塩化物を含む溶液中で、温度制限までの塩化物孔食、隙間腐食、応力腐食割れが完全に発生しません。{0}}この性能は、天然海水、汚染海水、塩水、湿った塩素、二酸化塩素、次亜塩素酸塩などの酸化性塩化物化合物にまで及びます。

海水および塩化物サービスにおけるチタンの利点

海水中の無限の生命

チタン グレード 2 (商業的に純粋) は、約 80 度 (176 度 F) までの温度の自然海水および汚染海水中で無期限の耐用年数を提供します。測定可能な腐食、孔食、または隙間の攻撃は発生しません。多くのチタン製熱交換器は、30 年以上故障することなく海水で継続的に使用されています。高温（最大 100 度以上）の場合、チタン グレード 7（パラジウム 0.12 ～ 0.25% を含む）は、還元条件下での酸化膜の安定性を高めることで安全な動作範囲を広げます。

酸化性塩化物に対する耐性

チタンは、湿った塩素ガス、二酸化塩素、次亜塩素酸溶液、および塩素化ブラインを処理する場合に最適な材料です。これらの環境は、ステンレス鋼や多くのニッケル合金を含むほとんどの金属に対して非常に腐食性が高くなります。チタンの酸化皮膜は遊離塩素や次亜塩素酸の存在下でも安定です。

高い強度対-重量比

チタンの密度は約 4.5 g/cm3-鋼またはニッケル合金 (8.0 ～ 8.9 g/cm3) の約 56% です。その引張強さ (グレード 2: 降伏 ~345 MPa、極限値 ~485 MPa) は 316 ステンレス鋼に匹敵します。この組み合わせにより、優れた強度対重量比が得られます。-軽量の熱交換器チューブ束は、必要な構造的サポートが少なくなり、基礎負荷が軽減され、海上や海洋環境への設置が容易になります。

優れた熱伝導率

チタンの熱伝導率（約 16 ～ 21 W/m・K）は銅やアルミニウムほどではありませんが、フッ素ポリマー（0.25 W/m・K）よりも大幅に高く、一部のステンレス鋼に匹敵します。 -薄肉チタンチューブ（通常肉厚 0.5 ～ 0.7 mm）は、圧力の完全性を維持しながら効率的な熱伝達を実現します。

チタンの限界

チタンは普遍的に耐食性があるわけではありません。{0}}次のような攻撃を受けます。

還元酸: 酸化種の存在しない塩酸、硫酸、リン酸。このような環境では酸化皮膜が溶解します。ただし、少量の酸化性イオン (第二鉄、銅、硝酸) やパラジウムとの合金 (グレード 7) により、不動態が回復する可能性があります。

フッ化水素酸: 微量のHFでも急速なアタックを引き起こします。

無水塩素: 乾燥した塩素ガスはチタンに発火する可能性があります。酸化皮膜を維持するには水分が必要です。

高温苛性溶液-：約100度以上では濃アルカリにより腐食する場合があります。

海水用途では、特定の条件下（海水が停滞した狭い隙間など）では隙間腐食のリスクがあるため、グレード 2 チタンの連続最高温度は通常 80 ～ 100 度に制限されます。より高温の場合には、グレード 7 またはその他のチタン合金が指定されています。

コストも考慮すべき点です。チタンはステンレス鋼や銅合金よりも高価で、重量ベースでは通常 316 ステンレス鋼の 5 ～ 10 倍です。ただし、ニッケル合金 (ハステロイ、インコネル) やタンタルなどの珍しい金属よりもかなり安価です。メンテナンス、ダウンタイム、交換を含む-ライフサイクル全体のコストを考慮すると、-海水サービスではチタンが経済的であることがよくわかります。{8}}

熱交換器サービス用の一般的なチタングレード

表面処理および化学処理での用途

表面仕上げ業界では、チタン熱交換器は次の用途に使用されます。

電気めっき浴の加熱/冷却: 多くのめっき液には塩化物 (塩化ニッケル、塩化亜鉛など) が含まれているか、ステンレス鋼に孔食が発生するような高温で動作します。チタン製浸漬コイルとシェル-および-交換器は長寿命を実現します。

陽極酸化とエッチング: アルミニウムの陽極酸化浴には、塩化物汚染物質を含む硫酸またはクロム酸が含まれることがよくあります。チタンは両方に耐えます。

PCBおよび金属仕上げ: 塩化第二銅または塩化第二鉄を含むエッチング溶液は非常に攻撃的です。チタンは、これらの回路の熱交換用の標準材料です。

化学処理では、チタン熱交換器は次の用途に指定されています。

海水淡水化プラント: 多段階フラッシュ (MSF) および逆浸透 (RO) の前処理には、海水の加熱と冷却が必要です。

塩素-アルカリの生成：湿った塩素、次亜塩素酸ナトリウム、塩素化塩水の取り扱い。

海洋石油とガス: プロセスストリームおよびユーティリティシステムの海水冷却。

比較表: 海水/塩化物サービス向けチタンとその他の素材

注: コスト倍数は概算であり、市場の状況や交換器の構成によって異なります。

チタン熱交換器の設計上の考慮事項

チタン熱交換器の導入を成功させるには、いくつかの設計の詳細に注意する必要があります。

隙間の回避: While titanium resists crevice corrosion up to its temperature limits, deep or stagnant crevices at high temperatures (>グレード 2 の場合は 80 度）攻撃を開始できます。完全溶け込み溶接、-ガスケットなしのチューブ-と-チューブシートの接合部（拡張溶接やシール溶接など）、きつい隙間を避けることが推奨されます。-

ガルバニック互換性: チタンは、ほとんどの一般的な金属に対して陰極性を示します。海水中で貴金属（鋼、銅、アルミニウム）と結合すると、後者の電解腐食が発生します。絶縁または互換性のある材料の選択が必要です。

水素脆化: チタンは、陰極条件下の高温で水素を吸収します (たとえば、より陽極性の高い金属と結合した場合、または還元性の酸性環境で)。水素のピックアップは脆化を引き起こす可能性があります。適切なシステム設計により、このような状況は回避されます。

ファウリングコントロール: チタンの滑らかな表面は生物付着を防ぎますが、海洋生物の成長は依然として発生する可能性があります。塩素処理などの防汚対策もチタンと互換性があります。

結論

チタンは、海水および塩化物サービスの熱交換器用の最高の金属材料であり、耐腐食性と機械的堅牢性の独自の組み合わせを提供します。塩化物環境における孔食、隙間腐食、応力腐食割れに対する耐性は、コスト効率の高いエンジニアリング金属の中で比類のないものです。-初期の材料コストはステンレス鋼や銅合金よりも高くなりますが、チタンは耐用年数が長く、-多くの場合 30 年を超える-ため、メンテナンスが最小限であるため、ライフサイクル全体で非常に経済的です。材料の選択では、特定の塩化物濃度と温度を考慮する必要があります。 80 度以下のほとんどの海水および塩水用途では、チタン グレード 2 が無期限のサービスを提供します。高温またはより過酷な条件では、チタン グレード 7 またはその他の合金が性能範囲を拡張します。信頼性と稼働時間が最優先される表面仕上げおよび化学処理では、チタン熱交換器海水塩化物サービスこの組み合わせは依然としてゴールドスタンダードです。