120 डिग्री पर ट्रेस क्लोराइड के साथ उच्च - दबाव CO₂ वातावरण में, कौन सा सतह उपचार (थर्मल ऑक्सीकरण बनाम एनोडाइजिंग) टाइटेनियम शीथ के लिए सबसे कम हाइड्रोजन ग्रहण दर प्रदान करता है?

कार्बन कैप्चर और भंडारण, तेल और गैस उत्पादन, और सुपरक्रिटिकल CO2 पावर चक्र कुछ ऐसे क्षेत्र हैं जहां उच्च दबाव कार्बन डाइऑक्साइड (CO2) वातावरण में क्लोराइड का पता अक्सर पाया जाता है। सीओ 2 पानी में 120 डिग्री और 50-200 बार पर घुलकर कार्बोनिक एसिड (एच 2 सीओ 3) बनाता है, जिसका पीएच 3-4 तक गिर जाता है। टाइटेनियम शीथ में हाइड्रोजन अवशोषण को कम पीएच, क्लोराइड और ऊंचे तापमान द्वारा बढ़ावा दिया जाता है। सतही उपचार जो निष्क्रिय फिल्म की मोटाई और स्थिरता को बढ़ाते हैं, हाइड्रोजन अवशोषण को कम करते हैं। थर्मल ऑक्सीकरण (वायु को 400{16}}600 डिग्री पर गर्म करने से सूक्ष्म दरारों के साथ एक मोटी (0.5-2 μm) क्रिस्टलीय TiO2 परत प्राप्त होती है। एनोडाइजिंग (इलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण) एक पतला (0.05–0.2 मिमी), अनाकार, अत्यधिक सघन ऑक्साइड उत्पन्न करता है। सर्वोत्तम फिल्म घनत्व और एकरूपता के कारण एनोडाइजिंग ट्रेस क्लोराइड के साथ उच्च दबाव CO2 में हाइड्रोजन ग्रहण की सबसे कम दर देता है।

सतही आक्साइड द्वारा हाइड्रोजन अवशोषण में कमी का तंत्र

संक्षारण प्रक्रियाओं द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन परमाणु (2H₂CO₃ + 2e⁻ → H₂ + 2HCO₃⁻) को ऑक्साइड परत के माध्यम से टाइटेनियम धातु तक फैलाना चाहिए। एनोडाइज्ड ऑक्साइड अनाकार, अनाज सीमा मुक्त और अत्यंत स्टोइकोमेट्रिक (TiO2) है। एनोडाइज्ड TiO2 में हाइड्रोजन विसरणशीलता थर्मल रूप से उत्पादित ऑक्साइड की तुलना में 10 - 100 गुना कम है जिसमें सूक्ष्म {{9} दरारें, अनाज सीमाएं और गैर-स्टोइकोमेट्रिक क्षेत्र (Ti2O3, TiO) शामिल हैं। इसके अलावा, एनोडाइज्ड फिल्मों की उच्च ढांकता हुआ ताकत इलेक्ट्रॉनिक चालन को कम कर देती है जो हाइड्रोजन की कमी को बढ़ावा दे सकती है। थर्मल ऑक्साइड मोटे होते हैं फिर भी थर्मल विस्तार बेमेल के कारण दरारें पड़ जाती हैं जो हाइड्रोजन के लिए तेजी से प्रसार मार्ग प्रदान करती हैं।

विभिन्न सतही उपचारों के लिए हाइड्रोजन ग्रहण की मात्रात्मक दरें

ग्रेड 2 टाइटेनियम शीथ की हाइड्रोजन ग्रहण दर 1,000 घंटों के लिए 500 पीपीएम क्लोराइड (NaCl के रूप में) के साथ उच्च दबाव CO2 (100 बार, 120 डिग्री) में नियंत्रित परीक्षण के माध्यम से स्थापित की गई है। चूंकि प्राकृतिक ऑक्साइड (2-5 एनएम) के साथ मसालेदार सतह प्रति 1,000 घंटे में 80-150 पीपीएम हाइड्रोजन को अवशोषित करती है, इसलिए यह लंबे समय तक उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं है। 2 घंटे के लिए 400 डिग्री पर ऑक्सीकरण से 0.3-0.5 µm का ऑक्साइड और प्रति 1,000 घंटे में 30-60 पीपीएम का हाइड्रोजन अवशोषण होता है। 2 घंटे के लिए 600 डिग्री पर थर्मल ऑक्सीकरण से 1.0{30}}2.0 µm ऑक्साइड उत्पन्न होता है, लेकिन ठंडा होने पर सूक्ष्म दरारें उत्पन्न होती हैं, जिससे 20-40 पीपीएम अवशोषण होता है। 10 मिनट के लिए 1% फॉस्फोरिक एसिड में 10 वी पर एनोडाइजिंग। 5-15 पीपीएम के अवशोषण के साथ 0.10-0.15 µm की अनाकार फिल्म का निर्माण करता है। 0.5% सल्फ्यूरिक एसिड में 30 वी पर 20 मिनट के लिए एनोडाइजेशन 3-8 पीपीएम के अवशोषण के साथ 0.20-0.30 µm मोटी परत उत्पन्न करता है। सबसे अच्छी सुरक्षा एनोडाइजिंग है जिसके बाद उबलते विआयनीकृत पानी में 30 मिनट तक सील किया जाता है, जिससे प्रति 1,000 घंटे में 3 पीपीएम से कम अवशोषण होता है।

उपचार के प्रदर्शन पर CO₂ दबाव और क्लोराइड सांद्रता का प्रभाव

CO2 दबाव और क्लोराइड सांद्रता बढ़ने पर हाइड्रोजन ग्रहण की दर बढ़ जाती है, लेकिन सतह के उपचार का सापेक्ष प्रदर्शन समान होता है। एनोडाइज्ड सतहों (30वी) का अपटेक 50 बार सीओ₂ और 100 पीपीएम क्लोराइड पर 2-5 पीपीएम है, जबकि थर्मल ऑक्सीडाइज्ड (600 डिग्री) के लिए 15-25 पीपीएम है। एनोडाइज्ड सतहें 5-10 पीपीएम थर्मल ऑक्सीकरण 25-40 पीपीएम 100 बार सीओ 2 500 पीपीएम क्लोराइड एनोडाइज्ड सतहें 10-20 पीपीएम तक बढ़ जाती हैं और 200 बार सीओ 2 और 500 पीपीएम क्लोराइड पर थर्मल ऑक्सीकरण 40-65 पीपीएम तक बढ़ जाता है। एनोडाइज्ड सतहें 100 बार CO2 पर 1000 पीपीएम क्लोराइड के साथ 8-15 पीपीएम को अवशोषित करती हैं और थर्मल ऑक्सीकरण 35-55 पीपीएम को अवशोषित करती हैं। दिलचस्प बात यह है कि एनोडाइजिंग का लाभ उच्च तापमान (150 डिग्री) पर अधिक प्रभावी होता है क्योंकि अनाकार संरचना क्रिस्टलीय थर्मल ऑक्साइड की तुलना में थर्मल गिरावट के प्रति अधिक प्रतिरोधी होती है।

उच्च दबाव CO₂ सेवा के भूतल उपचार के लिए चयन मार्गदर्शिका

नीचे दी गई तालिका में हाइड्रोजन अवशोषण की सीमा, सेवा के समय और CO2 के दबाव के आधार पर ग्रेड 2 टाइटेनियम शीथ के लिए सतह उपचार की पसंद के सुझाव शामिल हैं।

Nominal Service Life (hours) CO2 Pressure (bar) Chloride Concentration (ppm) Suggested Surface Treatment Hydrogen Uptake (ppm/1,000h)Pickled just 40–80 10,000 50 500 Thermal oxidation (400°C) 15–30 20,000 100 500 Anodizing (10V) 5–15 20,000 100 1,000 Anodizing (30V) + sealing 3–8 50,000 200 500 Anodizing (30V) + sealing + Grade 7 1–3 10,000 200 2,000Not suitable for Grade 2 >30 (यहां तक ​​कि एनोडाइज्ड)
भूतल उपचार की पसंद से परे इंजीनियरिंग

हाइड्रोजन सोखना टाइटेनियम ग्रेड से बहुत प्रभावित होता है, लेकिन सतह के उपचार से नहीं। ग्रेड 7 (पैलेडियम स्थिर) में पैलेडियम उत्प्रेरित हाइड्रोजन पुनर्संयोजन के कारण किसी दिए गए सतह उपचार के लिए ग्रेड 2 की तुलना में 3{4}}5x कम बेसलाइन हाइड्रोजन ग्रहण होता है। एक दीवार की मोटाई एक हाइड्रोजन सांद्रता बफर देती है, और समान रूप से वितरित 200 पीपीएम हाइड्रोजन वाली 2.0 मिमी की दीवार में समान सांद्रता वाली 1.0 मिमी की दीवार की तुलना में हाइड्राइड वर्षा का जोखिम कम होता है। CO2 धारा की शुद्धता महत्वपूर्ण है; 10 पीपीएम जितना कम ऑक्सीजन संदूषण निष्क्रिय फिल्म स्थिरता को प्रोत्साहित करके हाइड्रोजन ग्रहण को काफी कम कर देता है, जिससे ऑक्सीजन की उपस्थिति में एनोडाइजिंग की आवश्यक प्रकृति कम हो जाती है। सेवा में हाइड्रोजन संचय की निगरानी के लिए एक ठोस-अवस्था जांच का उपयोग करके आवधिक इलेक्ट्रोकेमिकल हाइड्रोजन निगरानी का उपयोग किया जा सकता है।

विशिष्टता-सूचित

30V पर 0.5% सल्फ्यूरिक एसिड में 20 मिनट के लिए एनोडाइज़ करें और फिर 30 मिनट के लिए उबलते विआयनीकृत पानी में सील करें। ट्रेस क्लोराइड के साथ 120 डिग्री पर उच्च दबाव CO₂ में टाइटेनियम शीथ। हल्की स्थितियों (सीओ₂ दबाव <50 बार, क्लोराइड <100 पीपीएम) के लिए, 2 घंटे के लिए 600 डिग्री पर थर्मल ऑक्सीकरण स्वीकार्य सुरक्षा देने का एक लागत प्रभावी तरीका है। सबसे अधिक मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए (150 बार से अधिक CO2 दबाव, 500 पीपीएम से अधिक क्लोराइड, 30,000 घंटे से अधिक सेवा जीवन) एनोडाइजिंग के अलावा ग्रेड 7 टाइटेनियम निर्दिष्ट करें। कमीशनिंग: एनोडाइज्ड फिल्म को स्थिर करने के लिए हीटर को 24 घंटे के लिए 80 डिग्री पर वातित पानी में निष्क्रिय करें। इसके बजाय, इंजीनियर हाइड्रोजन के भंगुर होने के जोखिम को कम करने और उच्च दबाव CO 2 स्थितियों में लगातार दीर्घकालिक प्रदर्शन प्रदान करने के लिए थर्मल ऑक्सीकरण के बजाय एनोडाइजिंग का चयन करता है।