התפלת מי ים מציבה דרישות יוצאות דופן לציוד לחילופי חום. השילוב של ריכוזי כלוריד גבוהים, טמפרטורות עבודה גבוהות וזרימה רציפה יוצר סביבה שבה חומרים קונבנציונליים מתכלים במהירות. טיטניום מציע עמידות יוצאת דופן בפני מי ים וכלוריד-לקורוזיה, אך עם זאת יריעות צינורות טיטניום מוצקות נשארות יקרות בצורה בלתי רגילה עבור מתקני התפלה- גדולים. אילוץ כלכלי זה הניע את התעשייה לעבר פתרון אלגנטי: יריעות צינור פלדה בציפוי טיטניום- המיוצרות באמצעות ריתוך נפץ.
- אתגר הקורוזיה במחלפי חום התפלה
מתקני התפלה, בין אם הם משתמשים בתהליכי הבזק רב-שלבים (MSF), זיקוק רב-אפקט (MED), או אוסמוזה הפוכה (RO), מסתמכים במידה רבה על מחליפי חום של מעטפת-ו-צינורות. יחידות אלה מטפלות בתמלחת בטמפרטורות גבוהות, וחושפות את יריעות הצינור להתקפה מתמשכת של יוני כלוריד. טיטניום וסגסוגותיו מפגינים עמידות יוצאת דופן בפני מי ים, תמיסות כלוריד ומאפייני שחיקת נוזלים- ההופכים אותם למתכת המועדפת עבור מערכות מקוררות מים- בחופיות ומליחות. המתכת יוצרת באופן טבעי שכבת תחמוצת צפופה ויציבה כאשר היא נחשפת לסביבות מחמצנות, ומספקת הגנה מפני קורוזיה בורות והתקפת חריצים הפוגעים בפלדות אל חלד וסגסוגות נחושת בשירות מלוחים.
המכשול תמיד היה עלות. טיטניום הוא יקר, וייצור יריעת צינור שלמה מטיטניום מוצק דוחף ציוד עלויות מעבר למגבלות המעשיות עבור מתקני התפלה גדולים. כאן נכנסים לתמונה חומרים מצופים.
ריתוך נפץ
ריתוך נפץ, הידוע גם בשם חיפוי פיצוץ, נותר השיטה התעשייתית הדומיננטית לייצור לוחות מרוכבים טיטניום. התהליך משתמש בפיצוצים מבוקרים כדי להאיץ לוח חיפוי טיטניום לעבר מצע פלדה במהירות גבוהה. לחץ ההשפעה יוצר קשר מתכותי בין שתי המתכות השונות בטמפרטורות הסביבה-תהליך ריתוך מוצק-שמונע את תרכובות הממשק ואת העיוות התרמי הקשור לריתוך היתוך.
הממשק המתקבל מציג מורפולוגיה גלית אופיינית, חתימה של ריתוך נפץ מוצלח. מבנה גל תקופתי זה, בדרך כלל עם אורכי גל ומשרעות הניתנים למדידה במאות מיקרון, נובע מגלי גזירה פלסטיים וערבול מקומי אינטנסיבי במהלך אירוע הפיצוץ. ממשק הגל מספק חוזק חיבור וחיבור מכאני מעולה בהשוואה לממשקים שטוחים, עם עוצמות גזירה מתועדות המגיעות ל-150-200 MPa. ביישומים מסוימים, חוזק הגזירה של הממשק עולה על 210 MPa.
ייצור וביצועים של יריעות צינור
יריעות צינור מצופה-טיטניום המיוצרות בריתוך נפץ משלבות שכבת טיטניום-בדרך כלל טיטניום טהור בדרגה 1 או דרגה 2- עם גיבוי מפלדת פחמן כגון SA516 Gr.70 או Q345R. עובי שכבת הטיטניום נע בדרך כלל בין 3 ל-8 מ"מ, מה שמספק כמות מספקת של קורוזיה לחשיפה ארוכת טווח למי ים.{11} מצע הפלדה מספק את החוזק המבני והקשיחות הדרושים כדי לתמוך בצרורות צינורות ולעמוד בעומסי לחץ, בעוד שחיפוי הטיטניום מטפל בסביבת המלח המאכלת.
הקשר המתכתי בין שתי השכבות הוא אינטגרלי ורציף, ועומד בדרישות של ASTM B898, המפרט הסטנדרטי ללוח חיפוי מתכת תגובתי ועמיד, המיועדת לשימוש בכלי לחץ. מאה אחוז בדיקה קולית מאמתת את שלמות האג"ח, כאשר תקני ההסמכה דורשים בדרך כלל שיעור אג"ח של 98% ומעלה.
המקרה הכלכלי עבור יריעות צינור מצופה-טיטניום משכנע. בהשוואה לטיטניום מוצק, בנייה בחיפוי מפחיתה את עלויות החומר ב-35 עד 50 אחוזים. חלק מההערכות מציבות את החיסכון בכ-40 אחוז תוך שמירה על עמידות שווה בפני קורוזיה. יעילות עלות זו הופכת את העמידות המעולה בפני קורוזיה של טיטניום בפני קורוזיה של מי ים לנגישה עבור פרויקטי התפלה בקנה מידה גדול- שבהם טיטניום מוצק יהיה בלתי מעשי מבחינה כלכלית.
ייצור דורש תשומת לב קפדנית לפרטים. קידוח חור בצינור בלוחיות מחופים דורש כלי עבודה עם קצה קרביד-עם מהירויות חיתוך שנשמרות בטווח של 15-20 מ' לדקה כדי למנוע דה למינציה של שכבת טיטניום. ריתוך-ל-שפופרת חייב להשתמש במיגון גז אינרטי-בדרך כלל ארגון-עם זרמים בטווח של 90-110 A כדי למנוע חמצון משטחי. טמפרטורות התכנון צריכות להישאר ב-300 מעלות או מתחתיה כדי להפחית את סיכוני התפרקות המימן. חיבורי מעבר בין יריעות צינור בחיפוי טיטניום וצנרת פלדה מבוצעים בדרך כלל באמצעות חלקי מעבר מפלדת-טיטניום.
הניסיון בשטח עם-טיטניום מרותך-יריעות נפץ בשירותי התפלה היה חיובי. בדיקות ביצועים במפעלי התפלת מי ים מדגימות תחזוקה עקבית של יעילות תרמית גם בסביבות מליחות- גבוהה. חיפוי הטיטניום שומר על שלמות סרט התחמוצת הפסיבי שלו בתנאי רכיבה תרמית, עם ביצועים מתועדים בטווחי טמפרטורה בין -40 מעלות ל-300 מעלות. מחקרי חשיפה ארוכי טווח בסביבות ימיות לא מראים למעשה קורוזיה ניתנת למדידה לאחר עשור של שירות מתמשך.
ייצור של יריעות צינור מצופה-טיטניום ליישומי התפלה פועל בהתאם לסטנדרטים שנקבעו לרבות ASTM B898 והתקן הסיני NB/T 47002.3. פרוטוקולי אבטחת האיכות כוללים בדיקה קולית של ממשק הקשר, בדיקה מכנית של חוזק גזירה ובדיקת מימדים של דפוסי חורים בצינור. תקנים אלה מבטיחים שיריעות צינור מצופים עומדות באותם קריטריונים של ביצועים כמו טיטניום מוצק בשירות מכלי לחץ.
ככל שיכולת ההתפלה של מי ים ממשיכה להתרחב בעולם, הדרישה לרכיבי חילופי חום עמידים-היעילים בפני קורוזיה-תגדל בהתאם. ריתוך נפץ של יריעות צינור פלדה בציפוי טיטניום- מציע טכנולוגיה בוגרת ומוכחת שמאזנת בין ביצועי קורוזיה לבין עלות הון. התהליך מייצר קשרים מתכתיים אמינים, החומרים עומדים בתקני התעשייה שנקבעו, וניסיון תפעולי מאשר עמידות- ארוכת טווח בשירות מי ים. עבור מתכננים ומפעילים של מפעלי התפלה, יריעות צינור מצופים-טיטניום מייצגות פתרון מעשי לאחד מאתגרי החומר המתמשכים של התעשייה.
