熱海水サービス (60 ～ 90 度、塩分濃度 3 ～ 4%) では、PFA ヒーターが金属コアを直接的な化学攻撃から保護します。しかし、微細な欠陥や浸透経路により、最終的には塩化物イオンがコアに到達することが可能になります。塩化物が金属に接触すると、応力腐食割れ（SCC）が主な故障メカニズムになります。チタン グレード 2 コアは、塩化物-による SCC に対してほぼ永久に耐性がありますが、インコロイ 825 コアは引張応力下では数か月から数年以内に亀裂が発生します。違いは不動態皮膜の安定性に起因します。チタンは、酸素または水の存在下で急速に自己修復する粘り強い TiO₂ 層を形成します。-。インコロイは、塩化物イオンの攻撃に弱い酸化クロム (Cr₂O₃) 膜を形成し、孔食やその後の亀裂の発生につながります。熱海水または塩水環境での PFA ヒーターの場合、チタンコアはインコロイと比較して耐用年数を 5 ～ 10 倍延長します。
塩化物-インコロイの応力亀裂のメカニズム
インコロイ 825 (Ni-Cr-Mo-Fe) は耐食性を不動態酸化クロム膜に依存しています。熱海水中では塩化物イオンがフィルム表面に吸着し、局所的にフィルム表面を破壊します。露出した金属が溶解し、ピットが形成されます。ピット先端では、酸性で塩化物が豊富な環境により、再不動態化が防止されます。{8}引張応力（熱膨張または残留製造応力による）がピットに集中し、亀裂が発生します。亀裂が形成されると、亀裂はインコロイ内を粒内に伝播します。シースに破れや塩化物が浸透した PFA ヒーターの場合、PFA が無傷であるように見えても、インコロイ コアは通常、80 度で 1,000 ～ 5,000 時間以内に故障します。亀裂によりコアの電気的導通または PFA への接地が失われ、ヒーターの故障が引き起こされます。
チタン グレード 2 (商業的に純粋) は、塩化物環境で非常に安定した TiO2 フィルムを形成します。フィルムは、酸素または水が存在すれば、損傷してもほぼ即座に再形成されます。海水には溶存酸素が豊富に含まれています。塩化物イオンは TiO2 膜を破壊しません。彼らは実際にそれを安定させます。チタンは、120 度以下の温度では塩化物 SCC の影響を受けません。熱海水中では、たとえ機械的応力がかかったとしても、チタンコアは 50,000+ 時間暴露しても SCC を示しません。
熱海水中での性能比較（80度、3.5% NaCl、コアに50 MPaの応力を加えた場合）
| 金属芯材 | パッシブフィルム | ピットまでの時間 (時間) | クラック開始までの時間 (時間) | 故障までの時間 (時間) | 支配的な故障モード | 親戚の生活 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| インコロイ 825 (受け取ったまま) | Cr₂O₃ | 500–1,000 | 1,000–2,000 | 2,000–5,000 | 粒内SCC | 1.0× |
| インコロイ 825 (不動態化) | Cr₂O₃ | 1,000–2,000 | 2,000–4,000 | 4,000–8,000 | SCC | 1.5–2.0× |
| チタン グレード 2 (焼きなまし) | TiO₂ | >50,000 (なし) | >50,000 | >50,000 | なし (延性破壊の可能性あり) | >10× |
| チタン グレード 7 (Pd- 合金) | TiO₂ | >50,000 | >50,000 | >50,000 | なし | >10× |
| ステンレス鋼316L | Cr₂O₃ | 200–500 | 500–1,000 | 1,000–2,000 | ピッチング + SCC | 0.3–0.5× |
海洋用熱交換器によるフィールド証拠
沿岸発電所では、海水冷却熱交換器（80 度）で Incoloy 825 コアを備えた PFA ヒーターを使用していました。-ヒーターはコアの亀裂により 12 ～ 18 か月ごとに故障しました。 -故障後の分析では、インコロイの微視的な PFA ボイドとその後の SCC への塩化物の浸透が示されました。工場ではヒーターを同一の PFA シースとグレード 2 チタンコアに置き換えました。 5年間連続稼働しましたが故障はありませんでした。チタンコアには孔食や亀裂は見られませんでした。現在、工場では海水にさらされるすべての PFA ヒーターにチタンコアを指定しています。-
インコロイが依然として一般的である理由とそれが許容される場合
インコロイは、安価（チタンの価格の約 50%）であり、非塩化物環境または低温でも適切に機能するため、依然として広く使用されています（<50°C). For freshwater or deionized water service, Incoloy cores can last 10+ years. For hot seawater, brine, or any chloride-rich environment above 60°C, Incoloy is a liability. The additional cost of titanium (typically $200–500 per heater) is recovered after one prevented failure event.
塩化物サービスの設計上の推奨事項
| 環境 | 塩化物濃度 | 温度 | 推奨コア材質 | 理論的根拠 |
|---|---|---|---|---|
| 淡水（脱イオン水） | <10 ppm | どれでも | インコロイ（費用対効果の高い） | SCCのリスクなし |
| 汽水 | 100～1,000ppm | <50°C | インコロイ | 許容できる |
| 汽水 | 100～1,000ppm | >60度 | チタングレード2 | 60度以上のSCCリスク |
| 海水（オープンループ） | 30,000～40,000ppm | どれでも | チタングレード2 | 必須 |
| ブライン（蒸発器） | >100,000ppm | >70度 | チタン グレード 2 またはグレード 7 | 必須 |
| 熱海水（熱交換器） | 35,000ppm | 80度 | チタングレード2 | Proven life >5年 |
結論: チタンコアは熱海水中の塩化物応力亀裂を除去します
熱海水使用 (80 度、3.5% NaCl) では、チタン グレード 2 金属コアを備えた PFA ヒーターは、インコロイ 825 コアよりも 10 倍長い寿命を示します。これは、チタンの TiO₂ 不動態皮膜が塩化物-によって引き起こされる応力腐食割れの影響を受けないためです。インコロイの酸化クロム皮膜は塩化物中で分解され、数カ月から数年以内に孔食、亀裂の発生、破損を引き起こします。 60 度を超える塩化物-が豊富な環境で動作する PFA ヒーターの場合は、チタン コアを指定してください。初期コストのプレミアムは、ダウンタイムと交換コストの排除によって回収されます。船舶、脱塩、または塩水加熱用の材料を選択するエンジニアは、チタンを優先する必要があります。インコロイは淡水に属します。チタンは海を支配します。
