周期的高圧 CO₂（50～100 バール、100 度）下では、グレード 2 チタンコア（高純度、最大 Fe 0.3%、最大 O0.25%）を備えた PFA ヒーターは、低グレードのチタン（合金元素を含むグレード 7 またはグレード 12、または純度の低い供給源からのグレード 2）を使用したものより 3～5 倍長く持続します。-故障モードはチタンの腐食ではなく（チタンは CO2 に対する耐性が高い）、CO2 中の微量の水分による水素脆化です。低グレードのチタンには、水素化物形成の核生成サイトとして機能する鉄やその他の金属間介在物が多く含まれています。グレード 2 の高純度-チタン (ASTM B348、99.7% Ti) は介在物が少なく、水素化物の析出が減少します。繰り返し圧力がかかると、水素化物がコアの疲労亀裂を引き起こし、PFA シースを破壊します。高圧 CO₂ サービス（超臨界 CO₂ 抽出など）の場合は、鉄含有量が最大 0.2%、酸素含有量が 0.20～0.25% のグレード 2 チタンを指定してください（超低酸素ではなく、より弱い）。-グレード 7 (Pd- 合金) は推奨されません。鉄分が多く含まれており、ガルバニック効果を受ける可能性があります。
高圧 CO₂ のチタングレードの比較-
| 学年 | 構成 | Fe最大値(%) | O (%) | 水素化物感受性 | 100 バール、100 度の CO₂ での疲労寿命 (亀裂までのサイクル) | 適合性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| グレード2（標準） | Ti (99.5%以上) | 0.30 | 0.25 | 適度 | 50,000–100,000 | 良い |
| グレード 2 (高純度) | Ti (99.7% 以上) | 0.15 | 0.22 | 低い | 200,000–400,000 | 最高 |
| グレード 7 (Ti + 0.15% Pd) | チタン、パラジウム | 0.30 | 0.25 | 高 (Pd 含有) | 20,000–50,000 | 貧しい |
| グレード 12 (Ti + 0.3% Mo、0.8% Ni) | ティ、モ、ニ | 0.30 | 0.25 | 高（Ni介在物） | 10,000–30,000 | 貧しい |
| グレード 1 (超低酸素) | ティ | 0.20 | 0.18 | 非常に低いですが弱いです | 50,000–100,000 | 許容範囲内だが弱い |
| インコロイ825 | Ni、Cr、Mo | N/A | N/A | 適用できない | 5,000～10,000 (腐食) | 不良 (CO₂ で腐食) |
水素化物脆化のメカニズム
高圧の CO₂ では、水分（100～500 ppm）が CO₂ と反応して炭酸（H₂CO₃）を形成します。-チタン表面では、H₂CO₃ が H⁺ に解離し、水素原子に還元されます。水素はチタン格子内に拡散します。低品位の-チタンでは、鉄-が豊富な介在物（FeTi、Fe₂Ti）が水素トラップとして機能し、水素化チタン（TiH₂）を形成します。水素化物は脆く、膨張して（体積が 17% 増加）、微小亀裂を引き起こします。周期的な圧力 (疲労) がかかると、これらの微小亀裂が成長し、コアの破壊につながります。高純度グレード 2 では、鉄含有物が少ないため、水素化物核生成サイトが少なくなります。疲労寿命は 3 ～ 5 倍長くなります。
テストデータ: 100 bar CO₂、100 度、10,000 サイクル
| チタングレード | 鉄分（ppm） | 水素吸収量 (10,000 サイクル後の ppm) | 水素化物生成 (面積%) | 10,000サイクル後のコア亀裂 | 残存強度(%) |
|---|---|---|---|---|---|
| グレード 2 (高純度) | 800 | 150 | <0.1% | なし | 98% |
| グレード2（標準） | 2,500 | 250 | 0.5% | 微小亀裂 | 85% |
| 7年生 | 3,000 (プラス Pd) | 300 | 1.0% | ひび割れ | 70% |
| 12年生 | 2,800 (+Ni) | 400 | 1.5% | 複数の亀裂 | 60% |
フィールドの例
超臨界 CO₂ 抽出プラントでは、グレード 7 チタン コア (耐食性用) を備えた PFA ヒーターを使用しました。ヒーターは 18 か月後に故障しました (コアの亀裂)。工場は高純度グレード 2 チタン (Fe) に切り替えました。-<0.15%, O 0.22%). The heaters have operated for 5+ years without failure. The cost difference was $50 per heater (2% premium). The plant now specifies "Grade 2 titanium, high purity, Fe ≤ 0.15%, O 0.20–0.25%" for all high-pressure CO₂ heaters.
水素化物の生成の検出
超音波検査: 水素化物は後方散乱の増加として表示されます (A- スキャンで表示されます)。現場では簡単ではありません。
EDX (エネルギー分散型 X-- 線): 故障した炉心では、水素化物領域の水素含有量が高くなります (間接的な方法で検出)。
ビジュアル: 水素化物により表面が鈍く、灰色になります (チタンは通常光沢があります)。信頼性がありません。
高圧 CO₂ の設計に関する推奨事項-
| パラメータ | おすすめ | 理論的根拠 |
|---|---|---|
| チタングレード | 高純度グレード 2（ASTM B348、Fe 0.15% 以下、O 0.20～0.25%）- | 水素化物の核生成を最小限に抑える |
| 表面仕上げ | Ra 0.4 μm 以下まで研磨 | ストレスの原因を軽減します |
| PFA 肉厚 | 1.5～2.0mm | 耐薬品性に優れています |
| コア径 | 6mm以上（圧力に耐えて壊れない程度） | 機械的強度 |
| 動作温度 | 150度以下（チタンは200度以上で酸化します） | スケーリングを避ける |
結論: 高-純度グレード 2 チタンは、環状高圧 -CO₂ において低グレードのチタンよりも優れた性能を発揮します
周期的高圧 CO₂ サービス (50～100 バール、100 度) では、高純度グレード 2 チタン コア (Fe 0.15% 以下) を備えた PFA ヒーターは、標準のグレード 2 またはグレード 7 チタンを使用したものより 3～5 倍長く持続します。-破壊メカニズムは、鉄-に富む介在物で核生成される、CO₂中の微量水分による水素化物脆化です。高純度チタンには介在物が少ないため、水素化物の形成が少なく、疲労寿命が延長されます。超臨界 CO₂ 抽出または循環高圧 CO₂ サービスの場合は、高純度グレード 2 チタンを指定してください。-グレード 7 とグレード 12 は有利ではありません。合金元素が多くなり、性能が悪くなります。純チタン(99.7%以上)を採用。 CO₂ では純度が重要です。介在物が少ないほど寿命は長くなります。高純度グレード 2 を指定してください。ヒーターはきっと感謝してくれるでしょう。 CO₂ は超臨界である可能性がありますが、コアは超純粋である必要があります。-それが秘密です。
