Hvorfor er en tykkere vegg ikke gunstig fordi korrosjon er ensartet og levetid bestemmes av total jernoppløsning for en titan-nedsenkningsvarmer installert i en tank med smeltet svovel (135 grader, inneholder hydrogensulfid og polysulfider?)

Den grunnleggende avveiningen i titanvarmerdesign for service i smeltet svovel
Molten sulphur tanks are maintained at 135°C to keep sulphur in liquid form for transportation or processing. The sulfur is saturated with hydrogen sulfide (H₂S) and polysulfides (H₂S_x) in solution. Titanium immersion heaters are utilized because titanium has strong resistance to sulphur and sulphides at moderate temperatures. However, titanium corrodes in molten sulfur by a chemical process: Ti + 2S ->TiS₂ Korrosjonen er konsistent, ikke groper eller sprekker i ett område. Raten er ca 0,05-0,15 mm/år avhengig av H2S-innholdet. Siden korrosjon er jevn, dikterer det totale metalltapet (veggfortynning) varmerens levetid. Mer veggtykkelse betyr forholdsmessig mer levetid. Dobbelt veggtykkelse betyr dobbelt så lang levetid. Men det er ingen terskeltykkelse under som korrosjon akselererer, eller over hvilken den stopper. (Med gropdannelse gir tykkere vegger avtagende avkastning.) Denne forskningen viser årsaken til enkel lineær skalering ved jevn korrosjon og optimal tykkelse på veggen (1,5-2,0 mm) ved bruk av smeltet svovel.

Mekanisme for enhetlig korrosjon: innvirkning på mekanisk integritet
Titanoverflaten ble funnet å reagere direkte med svovel og polysulfider i smeltet svovel ved 135 grader, noe som førte til dannelsen av titandisulfid (TiS2). TiS 2-belegget er relativt beskyttende, men løses sakte opp eller avskalles av det flytende smeltede svovelet. Korrosjonshastigheten følger lineær kinetikk: d=kt, hvor k er 0,05–0,15 mm/år. Det er ingen terskel for passiv filmnedbrytning, ingen kritisk temperatur for gropdannelse og ingen mekanisme for spenningskorrosjonssprekker. Korrosjonen er konsistent gjennom hele nedsenket overflate.

Det er ingen lokalisert angrep, derfor er tiden til perforering ganske enkelt: t_perf=(begynnende veggtykkelse) / (korrosjonshastighet). Hvis korrosjonshastigheten er 0,10 mm/år, vil en 1,2 mm vegg perforeres om 12 år. 15 år for 1,5 mm vegg. 20 år for en 2,0 mm tykk vegg. Forholdet er en perfekt rett linje. Derfor er en tykkere vegg en fordel i direkte forhold til det ekstra materialet. Prisen på titan øker imidlertid også lineært med tykkelsen. Det er ingen ikke-lineær fordel ved å gå for tykk.

Effekt på termisk ytelse: Straffe for varmeoverføring
En tykkere vegg medfører en liten, men reell termisk kostnad. For en typisk varmefluks på 2,0 W/cm$^2$ dominerer konveksjonsmotstanden i smeltet svovel (h $\\ca.$ 500 W/m$^2$K på grunn av høy viskositet). For 1,2 mm vegg R_cond=7.1e-5; for 2,0 mm vegg R_cond=1.18e-4. Den totale motstanden økes med 8 %, og dermed økes overflatetemperaturen med 2–3 grader. Dette øker korrosjonshastigheten litt (omtrent 10 % for en stigning på 3'C), noe som opphever fordelen med den tykkere veggen. Den generelle fordelen med å øke fra 1,2 mm til 2,0 mm er en forlengelse av levetiden fra 12 år til rundt 18 år (ikke 20 år på grunn av temperaturakselerasjon). Loven om synkende avkastning holder, om enn svakt.

Avveiningen-mellom veggtykkelse og levetid
Veggtykkelse (mm) Korrosjonshastighet ved 135 grader (mm/år) Temperatur Akselerasjonsfaktor Effektiv korrosjonshastighet (mm/år) Tid til perforering (år) Relativ materialkostnad 1,0 mm 0.10 1.00× 0.10 10 år 1,0× 1,2 mm 0.10 1.02× 0.102 11.8 år 0.10 1.02× 0.102 11.8 år 0.105 14.3 år 1,5× 1,8 mm 0.10 1.08× 0.108 16.7 år 1,8× 2,0 mm 0.10 1.10× 0.110 18.2 år 2,0× 2,5 mm 0.10 1.15× 0.115 21.7 år 2,5×
En vegg 2,0 mm tykk har en levetid på 18 år, 80 % lengre enn en vegg 1,0 mm tykk, men med 100 % mer materialkostnad. 1,5 mm veggen gir 14 år til 50 % mer kostnad, ofte det beste økonomiske poenget.

Engineering bak veggen: temperaturkontroll og svovelkvalitet
H2S-konsentrasjonen i smeltet svovel er en svært følsom parameter for korrosjonshastigheten. I rent svovel (lav H2S) er ratene så lave som 0,03 mm/år. Surt svovel med høy H2S og polysulfider kan være så høye som 0,25 mm/år. Hvis svovelkvaliteten er dårlig, er det nødvendig med en tykkere vegg, men en bedre tilnærming er å sprøyte svoveltanken med nitrogen for å strippe H2S, noe som reduserer korrosjonshastigheten med 70–80 %. Nitrogensprøyting 30+ År 1,2 mm Veggtemperaturstyring er også viktig: å redusere temperaturen på tanken fra 135 grader til 125 grader reduserer korrosjonshastigheten med rundt 40 %, noe som tillater tynnere vegger.

Konklusjon: Lineær fordel-Velg vegg som en funksjon av levetid og kostnad
En tykkere vegg er nyttig for en titan-dykkvarmer i en tank med smeltet svovel ved 135 grader med H2S og polysulfider, da korrosjonen er jevn og levetiden avhenger av den totale mengden metall som er oppløst. En dobling av veggtykkelsen dobler omtrent levetiden (med en liten straff fra temperaturakselerasjon). Anbefalt veggtykkelse: 1,2–1,5 mm for 10 års levetid; 1,5–1,8 mm for 15 år av livet; 2,0–2,5 mm for 20 års levetid. Det er ingen terskeleffekt (tykkere vegger fungerer ikke). Beste økonomiske valg er vanligvis 1,5 mm, som gir 14 års levetid ved 50 % mer enn 1,0 mm vegg. Oppgi den estimerte konsentrasjonen av H₂S og driftstemperaturen til produsenten slik at de kan beregne den nøyaktige korrosjonshastigheten. Ved smeltet svovel er veggtykkelsen en direkte lineær designvariabel. Tykkere er bedre, men dyrere-velg for livet som trengs.