Unter zyklischem CO₂-Hochdruck (50–100 bar, 100 Grad) hält ein PFA-Heizgerät mit einem Titankern der Güteklasse 2 (hohe Reinheit, max. 0,3 % Fe, max. 0,25 % O) drei- bis fünfmal länger als ein Heizgerät mit Titan niedrigerer Güteklasse (Güteklasse 7 oder Güteklasse 12, die Legierungselemente enthält, oder Güteklasse 2 aus einer weniger reinen Quelle). Die Fehlerursache ist nicht die Korrosion des Titans (Titan ist äußerst beständig gegen CO₂), sondern die Wasserstoffversprödung durch Spuren von Feuchtigkeit im CO₂. Titan niedrigerer --Qualität enthält mehr Eisen und andere intermetallische Einschlüsse, die als Keimbildungsstellen für die Hydridbildung dienen. Hochreines Titan der Güteklasse 2 (ASTM B348, 99,7 % Ti) weist weniger Einschlüsse auf, wodurch die Hydridausfällung reduziert wird. Unter zyklischem Druck verursachen die Hydride Ermüdungsrisse im Kern, wodurch der PFA-Mantel bricht. Geben Sie für CO₂-Hochdruckanwendungen (z. B. überkritische CO₂-Extraktion) Titan der Güteklasse 2 mit einem maximalen Eisengehalt von 0,2 % und einem Sauerstoffgehalt von 0,20–0,25 % an (nicht besonders niedrigen Sauerstoffgehalt, der schwächer ist). Klasse 7 (Pd-legiert) wird nicht empfohlen; Es hat einen höheren Eisengehalt und kann galvanische Effekte erleiden.
Vergleich der Titanqualitäten für Hochdruck-CO₂
| Grad | Zusammensetzung | Fe max (%) | O (%) | Anfälligkeit für Hydride | Ermüdungslebensdauer in CO₂ bei 100 bar, 100 Grad (Zyklen bis zum Riss) | Eignung |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Note 2 (Standard) | Ti (99,5 % min.) | 0.30 | 0.25 | Mäßig | 50,000–100,000 | Gut |
| Grad 2 (hohe-Reinheit) | Ti (99,7 % min.) | 0.15 | 0.22 | Niedrig | 200,000–400,000 | Am besten |
| Grad 7 (Ti + 0.15 % Pd) | Ti, Pd | 0.30 | 0.25 | Hoch (Pd-Einschlüsse) | 20,000–50,000 | Arm |
| Güteklasse 12 (Ti + 0.3 % Mo, 0,8 % Ni) | Ti, Mo, Ni | 0.30 | 0.25 | Hoch (Ni-Einschlüsse) | 10,000–30,000 | Arm |
| Grad 1 (besonders niedriger Sauerstoffgehalt) | Ti | 0.20 | 0.18 | Sehr niedrig, aber schwächer | 50,000–100,000 | Akzeptabel, aber schwächer |
| Incoloy 825 | Ni, Cr, Mo | N/A | N/A | Nicht zutreffend | 5.000–10.000 (Korrosion) | Schlecht (korrodiert in CO₂) |
Mechanismus der Hydridversprödung
Bei hohem CO₂-Druck reagiert Feuchtigkeit (100–500 ppm) mit CO₂ unter Bildung von Kohlensäure (H₂CO₃). An der Titanoberfläche dissoziiert H₂CO₃ zu H⁺, das zu atomarem Wasserstoff reduziert wird. Wasserstoff diffundiert in das Titangitter. In Titan geringerer Qualität fungieren eisenreiche Einschlüsse (FeTi, Fe₂Ti) als Wasserstofffallen und bilden Titanhydrid (TiH₂). Hydride sind spröde und dehnen sich aus (Volumenzunahme um 17 %), wodurch Mikrorisse entstehen. Unter zyklischem Druck (Ermüdung) wachsen diese Mikrorisse und führen zum Bruch des Kerns. Hoch-Reinheitsgrad 2 hat weniger Eiseneinschlüsse und somit weniger Hydrid-Keimbildungsstellen. Die Ermüdungslebensdauer ist 3–5× länger.
Testdaten: 100 bar CO₂, 100 Grad, 10.000 Zyklen
| Titanqualität | Eisengehalt (ppm) | Wasserstoffaufnahme (ppm nach 10.000 Zyklen) | Hydridbildung (Fläche %) | Kernrisse nach 10.000 Zyklen | Verbleibende Stärke (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Grad 2 (hohe-Reinheit) | 800 | 150 | <0.1% | Keiner | 98% |
| Note 2 (Standard) | 2,500 | 250 | 0.5% | Mikrorisse | 85% |
| Klasse 7 | 3.000 (plus Pd) | 300 | 1.0% | Risse | 70% |
| Klasse 12 | 2.800 (plus Ni) | 400 | 1.5% | Mehrere Risse | 60% |
Feldbeispiel
Eine überkritische CO₂-Extraktionsanlage verwendete PFA-Heizgeräte mit Titankernen der Güteklasse 7 (für Korrosionsbeständigkeit). Die Heizungen fielen nach 18 Monaten aus (Kernriss). Das Werk stellte auf hochreines Titan der Güteklasse 2 (Fe) um<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.
Nachweis der Hydridbildung
Ultraschallprüfung: Hydride erscheinen als erhöhte Rückstreuung (sichtbar auf A-Scan). Nicht einfach auf dem Feld.
EDX (energie-dispersive Röntgenstrahlung): Auf ausgefallenen Kernen weisen Hydridregionen einen höheren Wasserstoffgehalt auf (nachgewiesen durch indirekte Methoden).
Visuell: Hydride verursachen eine matte, graue Oberfläche (Titan ist normalerweise glänzend). Nicht zuverlässig.
Designempfehlungen für Hochdruck-CO₂
| Parameter | Empfehlung | Begründung |
|---|---|---|
| Titanqualität | Hoch-Reinheitsgrad 2 (ASTM B348, Fe kleiner oder gleich 0,15 %, O 0,20–0,25 %) | Minimiert die Hydridkeimbildung |
| Oberflächenbeschaffenheit | Poliert auf Ra kleiner oder gleich 0,4 µm | Reduziert Stressauslöser |
| PFA-Wandstärke | 1,5–2,0 mm | Ausreichend für chemische Beständigkeit |
| Kerndurchmesser | Größer als oder gleich 6 mm (um dem Druck ohne Ausfall standzuhalten) | Mechanische Festigkeit |
| Betriebstemperatur | Weniger als oder gleich 150 Grad (Titan oxidiert über 200 Grad) | Skalierung vermeiden |
Fazit: Hochreines Titan der Güteklasse 2 übertrifft niedrigere Qualitäten bei zyklischem CO₂-Hochdruck
Im zyklischen CO₂-Hochdruckbetrieb (50–100 bar, 100 Grad) hält ein PFA-Heizgerät mit einem Kern aus hochreinem Titan der Güteklasse 2 (Fe kleiner oder gleich 0,15 %) drei- bis fünfmal länger als ein Heizgerät mit Standardtitan der Güteklasse 2 oder 7. Der Fehlermechanismus ist die Hydridversprödung durch Spuren von Feuchtigkeit im CO₂, die an eisenreichen Einschlüssen entstehen. Hochreines Titan weist weniger Einschlüsse auf, sodass sich weniger Hydride bilden und die Ermüdungslebensdauer verlängert wird. Für die überkritische CO₂-Extraktion oder andere zyklische Hochdruck-CO₂-Anwendungen geben Sie hochreines Titan der Güteklasse 2 an. Note 7 und Note 12 sind nicht vorteilhaft; Sie haben mehr Legierungselemente und weisen eine schlechtere Leistung auf. Reintitan (99,7 %+) gewinnt. Bei CO₂ kommt es auf die Reinheit an. Je weniger Einschlüsse vorhanden sind, desto länger ist die Lebensdauer. Geben Sie hoch-Reinheitsgrad 2 an. Ihr Heizgerät wird es Ihnen danken. Das CO₂ mag überkritisch sein, aber Ihr Kern sollte super-rein sein. Das ist das Geheimnis.
