Kun titaanivaippalämmitintä käytetään keittämään 5-prosenttista natriumtartraattiliuosta 103 asteessa, miksi tartraatti-ionien kompleksi muodostaa titaani-ioneja ja estää repasivoitumisen, mikä johtaa tasaiseen korroosioon 0,2 mm vuodessa?

5 % natriumtartraatissa tartraatti-ioni (C4H4O₆2⁻) on tehokas kelatoiva aine titaanille 103 asteessa (kiehumispisteessä). Kloridi ja fluoridi aiheuttavat pistesyöpymisen, mutta tartraatti johtaa liukoisten titaanitartraattikompleksien muodostumiseen: Ti⁴⁺ + 3C4H₄O₆2⁻ → [Ti(C₄H₄O6)3]⁴⁻. Kompleksointi poistaa Ti 4+ -ioneja pinnalta niiden muodostuessa ja estää stabiilin passiivikalvon muodostumisen. Ilman suojaavaa päällystettä titaani kuluu tasaisesti tasaisesti 0,15–0,25 mm vuodessa ilman paikallisia kuoppia. Korroosionopeus ei ole ajan funktio ensimmäisen siirtymävaiheen jälkeen.

Tartraatin-indusoidun tasaisen korroosion mekanismi

Tartraatti-ionissa on useita hydroksyyli- ja karboksyyliryhmiä, jotka pystyvät muodostamaan stabiileja viisijäsenisiä kelaattirenkaita, joissa on Ti 4+ . log K~20). Ti-tartraattikompleksin muodostumisvakio on poikkeuksellisen korkea Tämä tarkoittaa, että kaikki metallipinnalta vapautuva Ti⁴⁺ kompleksoituu ja otetaan nopeasti liuokseen. Passiivinen kalvo ei voi kasvaa, koska TiO2:n liukoisuustulo ylittyy vain erittäin korkeilla paikallisilla Ti4+. pitoisuuksilla. Korroosioprosessi perustuu metallin suoraan liukenemiseen: Ti → Ti⁴⁺ + 4e⁻, jota seuraa nopea kompleksoituminen. Koska ei ole passiivista kalvoa, joka hajoaisi paikallisesti, prosessi on yhtenäinen.

Kvantitatiivinen korroosionopeus vs. tartraattipitoisuus

Kontrolloidut testit kiehuvissa natriumtartraattiliuoksissa (103 astetta) 500 tunnin ajan ovat osoittaneet seuraavan luokan 2 titaanille. 0 % tartraatilla (puhdas vesi) korroosionopeus on 0,005–0,010 mm/v, pinta on kirkas ja mekanismi passiivinen. 1 % tartraatilla nopeus on 0,03–0,06 mm vuodessa, pinnassa näkyy kevyt etsaus ja mekanismi on sekoitettu. 3 % tartraatilla nopeus on 0,08–0,15 mm/vuosi, pinnassa on tasaista syövytystä ja kompleksoituminen on vallitseva prosessi. 5 % tartraatilla nopeus on 0,15–0,25 mm/v, pinta on tasainen mattapintainen ja prosessi on kompleksoitumisdominoiva. 0.20-0.35 mm/v 10 % tartraatilla, pinta tasaisen mattapintainen, mekanismi vaikea kompleksoituminen.

pH:n ja lämpötilan vaikutus kompleksoitumisnopeuteen

Kompleksoitumisnopeus ja korroosionopeus ovat pH:n ja lämpötilan funktio. Korroosionopeus 60 C, pH 7 ja 5 % tartraatti on 0,04-0,08 mm/v. Nopeus 80 asteessa ja pH 7:ssä on 0,08-0,15 mm/v. Nopeus on 0,15-0,25 mm/vuosi 100 asteessa ja pH 7:ssä. Nopeus on 0,10-0,18 mm vuodessa 100 asteessa ja pH 9:ssä (korkeampi pH vähentää korroosiota). Nopeus 100 asteessa, pH 5, 0,20–0,35 mm/vuosi (alempi pH lisää korroosion nopeutta). Aktivointienergia on noin 50 kJ/mol.

Tartraattipitoisuuden ja pH:n hallinta titaanilämmittimissä

Seuraavassa taulukossa on suositellut käyttöolosuhteet luokkien 2 ja 7 titaanilämmittimille natriumtartraattiliuoksissa.

Natriumtartraattipitoisuus (%) Lämpötila ( aste ) pH Grade 2 Korroosionopeus (mm/v) Korroosionopeus (mm/vuosi) Grade 7 Suositus<1 100 7 0.03–0.06 0.02–0.04 Acceptable 1–3 80 7 0.05–0.10 0.03–0.06 Acceptable 3–5 80 7 0.08–0.15 0.05–0.10 Use Grade 7 3–5 100 7 0.15–0.25 0.10–0.18 Use Grade 7 + thick wall
5-10 100 9 0.10-0.18 0.06-0.12 pH increase >10 Any Any >0.20 >0,12 Ei suositella Suunnittelu Beyond Tartrate Concentration Control

Titaanilaatu vaikuttaa kompleksoitumisnopeuteen. Grade 7 (palladiumstabiloitu) korroosionopeudet ovat 30-50 % alhaisemmat kuin Grade 2 tartraattiliuoksissa, koska palladium stabiloi ohuen passiivisen pinnoitteen jopa kompleksoitumisolosuhteissa. Luokka 12 osoittaa kohtalaista parannusta. Seinänpaksuus antaa korroosiovaran . 2 . 0 mm seinälle 0 . 15 mm/vuosi tasainen korroosio kestää 13 vuotta . Pintakäsittelyllä on vain vähän vaikutusta tasaiseen korroosioon. Nostamalla pH arvoon 9 natriumhydroksidilla korroosionopeus pienenee 30–40 %. Jos lämpötila laskee 100 astetta 80 asteeseen, nopeus leikataan puoleen.

Tietoisen spesifikaation kehittäminen

Titaanivaippalämmittimen hallitsevana mekanismina tulisi olettaa olevan tasainen korroosio 5 % natriumtartraatissa 103 asteessa. Käytä luokan 7 titaania korroosionopeuden alentamiseen 0,10–0,18 mm:iin vuodessa. Käytä 2,0 mm:n seinämän paksuutta 10-15 vuoden käyttöiän ajaksi. Nosta pH arvoon 9 (jos mahdollista) natriumhydroksidilla tai laske lämpötila 80 C:een. Käytön aikana kiukaan paksuutta tarkkaillaan ultraäänimittauksella kerran vuodessa ja lämmitin vaihdetaan, kun seinämän paksuus on 0,5 mm. Insinööri on tietoinen siitä, että tartraatti-ionit vaikeuttavat titaani-ioneja ja estävät uudelleenpassivoitumista, joten he valitsevat oikean laadun ja seinämän paksuuden varmistaakseen ennustettavan tasaisen korroosion.