Vai alumīnijs ar sulfīdu izturīgu pārklājumu ir labākā aizsardzība pret hidrotermiskām vulkāniskām gāzēm?

Telemetrijas instrumentu, gāzes sniferu un akustisko monitoru izvietošana okeāna dziļūdens hidrotermālo atveru tuvumā strukturālos materiālus novieto agresīvā ķīmiskā un termiskā vidē. Aktīvie hidrotermiskie ventilācijas lauki ('melnie smēķētāji') izvada skābus, minerālvielām bagātus spārnus (250°C - 400°C), kas ir piepildīti ar izšķīdušu sērūdeņradi (H₂S), sēra dioksīdu (SO₂), sālsskābi (HCl) un metānu, samazinot vietējā apkārtējā šķidruma pH līdz 0 -42.

Gadu desmitiem okeanogrāfijas konsorciji ir izmantojuši cieto niķeļa supersakausējumus (piemēram, Hastelloy C-276 vai Inconel 625) vai 5. klases titānu bentosa sensoru korpusiem. Tomēr ilgstošas ​​​​plūsmas uzraudzībā, kur sēra mineralizācija cementē savienojumu vītnes un skābie šķidrumi galu galā uzbrūk blīvēm, ļoti sarūsējušu 30 000 ASV dolāru liela sakausējuma korpusu atgūšana ir liela finansiāla atbildība. Ar sulfīdu izturīgu pārklājumu pārklāts alumīnijs — apvienojot augstas stiprības, zemas slodzes strukturālos alumīnija sakausējumus (5000 / 6000 sērija) ar blīvu keramikas-fluorpolimēra hibrīda pārklājumu vai šķidrā stikla neorganiskā polisilazāna barjeras matricām — nodrošina optimālu inženiertehnisko risinājumu. Tas nodrošina blīvu ķīmisko barjeru pret skābju gāzu uzbrukumu, iztur cieto metālu-sulfīdu mērogošanu un samazina iepirkuma un ražošanas izmaksas par vairāk nekā 65% , nodrošinot rentablus daudzpunktu sensoru režģu blokus.

Ķīmiskais uzbrukums un sulfīda stresa plaisāšana (SSC) spalvu mikroklimātos

Hidrotermālās ventilācijas vide nav tikai 'dziļi ūdens' — tie ir zemūdens ķīmiskie reaktori. Kad kaili metāli mijiedarbojas ar skābiem vulkānisko strūklu ūdeņiem, rodas divi primārie atteices mehānismi:

Sulfīdu uzliesmojums un ātra metālu izšķīšana: parastie vara sakausējumi, bronzas un oglekļa tēraudi veido vaļīgas, neaizsargājošas dzelzs/vara sulfīda zvīņas (FeS, CuS), kas ātri nolobās, izraisot materiāla retināšanas ātrumu, kas pārsniedz vairākus milimetrus mēnesī spalvu zonās.

Ūdeņraža sulfīda izraisīta trauslums: tēraudos un zemākas kvalitātes sakausējumos H₂S darbojas kā ūdeņraža rekombinācijas inde. Katodiski ģenerēts atomu ūdeņradis izkliedējas tieši metāla režģī, izraisot pēkšņu strukturālu plaisāšanu gar stiprinājuma atlokiem pie pieticīgām stiepes slodzēm.

Kāpēc alumīnijam ir nepieciešama barjeras aizsardzība: lai gan alumīnijs dabiski iztur atmosfēras koroziju, tā dabiskā oksīda plēve (Al2O3) ātri sadalās skābā vidē, kuras pH ir zem 4,0. Tāpēc strukturālo sakausējumu nevar tieši pakļaut; tā izdzīvošana pilnībā ir atkarīga no pielietotās barjeru sistēmas ķīmiskās inerces.

Specializēta neorganisko keramikas hibrīdo pārklājumu arhitektūra

Standarta jūras poliuretāna krāsas skābu sēra gāzu klātbūtnē dažu dienu laikā mīkstina, uzbriest un veido burbuļus. Īstai sulfīdu izturīgai sistēmai ir nepieciešama šķērssaistīta neorganiskā ķīmija:

Polisilazāna/keramikas-polimēru matrica: Formulēts ar silīcija-slāpekļa-skābekļa molekulāro mugurkaulu, kas piepildīts ar submikronu keramikas oksīda daļiņām, radot stiklam līdzīgu barjeru, kas pretojas ķīmiskai sadalīšanai no pH 1,5 līdz 12,0.

Augsta termiskā trieciena tolerance: strūklu robežzonās kūpošas straumes izraisa temperatūras svārstības no 2°C okeāna ūdens līdz 80°C+ hidrotermālajiem šķidrumiem. Pārklājuma termiskās izplešanās koeficients (CTE) ir noregulēts tā, lai tas atbilstu alumīnija pamatnei, novēršot mikroplaisu veidošanos ātras termiskās cikla laikā.

Tehniskā apstiprināšana un praktiskā darbība

Tālāk sniegtais veiktspējas salīdzinājums izceļ ekspluatācijas kompromisus starp sulfīdu izturīgu pārklājumu alumīniju un tradicionālajiem ventilācijas materiāliem:

Komerciāla peļņa un inženierijas IA B2B okeāna komandām

FAQ

1. jautājums: vai alumīnijs var izturēt ārkārtēju 350°C karstumu, ko rada hidrotermiska melna kūpinātāja ventilācija?

A: Neviens materiāls, tostarp pārklāts alumīnijs, neiztur tiešu nepārtrauktu ievietošanu 350°C  ventilācijas skurstenī bez īpašas dzesēšanas. Alumīnijs ar sulfīdu izturīgu pārklājumu ir izstrādāts instrumentiem, kas izvietoti apkārtējā strūklu sajaukšanās zonā ( 2°C - 80°C ), kur vulkāniskās gāzes izkliedējas jūras ūdenī.

2. jautājums. Kāpēc hidrotermālo strūklu blokiem priekšroka tiek dota pārklātam alumīnijam, nevis Hastelloy C-276?

A: Lai gan Hastelloy pretojas vulkāniskām gāzēm, tas ir ārkārtīgi dārgs, smags un ļoti lēni apstrādājams. Pārklāts alumīnijs samazina aparatūras izmaksas par vairāk nekā 65% , ļaujot pētnieku grupām izveidot un izvietot 5 līdz 10 pārraudzības ierīces par viena niķeļa supersakausējuma tvertnes cenu.

Q3: Kas neļauj vulkānisko minerālu garozām sacementēt uz korpusa?

A: Hidrotermālie šķidrumi atdzesējot nogulsnē smagos dzelzs un vara sulfīdus. Specializētajai virskārtai ir zema virsmas enerģija un augsta hidrofobitāte, kas neļauj šiem minerālu kristāliem sasaistīties ar virsmu. Lielāko daļu nogulšņu pēc atgūšanas noskalo ar saldūdens klāja šļūteni.

Q4: Kas notiek, ja ROV manipulatora svira skrāpē pārklājumu izvietošanas laikā?

A: Alumīnijs ir iepriekš apstrādāts ar organosilāna konversijas slāni, kas ķīmiski saista pārklājumu ar metālu. Ja mehānisks skrāpējums izlaužas cauri augšējam slānim, korozija paliek skrāpējuma vietā un neizraisīs apakšplēves krāsas nolobīšanos pārējā korpusa daļā.

Q5: Kā vītņotās skrūvju caurumi tiek pasargāti no aizķeršanās šajā sēra vidē?

A: Iekšējās vītnes tiek apstrādātas ar plānslāņa keramikas pārklājumiem vai maskētas un apstrādātas ar kosmosa kvalitātes konversijas slāņiem, kas apvienoti ar augstas temperatūras, nemetāla fluorpolimēra pretsaķeres pastu. Tas saglabā vītnes neskartus un neļauj vulkāniskajām nogulsnēm bloķēt stiprinājumus klāja apkopes laikā.

Secinājums

Pret sulfīdu izturīgs pārklāts alumīnijs nodrošina praktisku, augstas veiktspējas un rentablu alternatīvu niķeļa supersakausējumiem dziļūdens hidrotermālo strūklu novērošanas ierīcēm.

Lai optimizētu iepirkumu vulkānu ventilācijas projektiem:

Mērķējiet uz spalvu izkliedes zonu, nevis uz ventilācijas rīkli: izmantojiet pārklātu alumīniju strūklu izsekošanai, robežu uzraudzībai un ūdens kolonnas šņaukšanas instrumentiem (2°C - 80°C); rezerves titāns vai supersakausējumi zondēm, kas ievietotas tieši 350°C hidrotermiskajā atverē.

Neorganiskā/keramikas-hibrīda pārklājuma formulas: likvidēt standarta jūras poliuretānus; norādiet šķērssaistītas polisilazāna vai keramikas-fluorpolimēra matricas, kas paredzētas nepārtrauktai iedarbībai uz pH 2,0–4,0 šķidrumiem.

Nepieciešama 100% dzirksteles pārbaudīta nulles cauruma sertifikācija: pārliecinieties, ka pārklājuma ražotājs nodrošina elektriskās dzirksteles porainības pārbaudi, lai garantētu nulles mikrotukšumus, kur skābās gāzes var saskarties ar alumīnija bāzi.