В 50% карбонате калия (K₂CO₃) при температуре 110 градусов на поверхности титана образуется защитный слой титаната калия (K₂TiO₃). Растворенный кислород (DO) имеет решающее значение для образования титаната. При низком DO (0,5 ppm) слой титаната тонкий (0,1–0,5 мкм) и пористый, что обеспечивает плохую защиту. При высоком РК (5 ppm) слой становится более толстым (1–3 мкм) и плотным, что снижает скорость коррозии в 5–10 раз. Слой титаната образуется в результате реакции TiO₂ + K₂O → K2TiO₃, где K₂O образуется в результате разложения K₂CO₃.

Механизм влияния растворенного кислорода на формирование титанатного слоя

Кислород необходим для поддержания поверхности титана в пассивном состоянии, в котором может образовываться TiO₂. В присутствии K₂CO₃ TiO₂ реагирует с образованием K₂TiO₃. Без достаточного количества кислорода слой TiO₂ будет тонким и дефектным, а образующийся слой K₂TiO₃ также будет дефектным. При низком РК слой имеет трещины и поры, которые способствуют продолжению коррозии. При высоком РК слой растет равномерно и становится защитным. Скорость коррозии в стабильном режиме определяется диффузией кислорода через слой титаната.

Количественные характеристики титанатного слоя в зависимости от растворенного кислорода

Контролируемые испытания в 50% K₂CO₃ при температуре 110 градусов в течение 1000 часов установили следующее для титана класса 2. При 0 ppm DO (деаэрированный) толщина слоя титаната составляет 0,05–0,1 мкм, скорость коррозии 0,15–0,30 мм в год, поверхность темная и пористая. При концентрации DO 0,5 ppm толщина составляет 0,1–0,3 мкм, скорость коррозии 0,08–0,15 мм в год, поверхность серая, с умеренной пористостью. При концентрации DO 2 ppm толщина составляет 0,5–1,0 мкм, скорость коррозии 0,03–0,08 мм в год, поверхность светло-серая. При содержании DO 5 ppm толщина составляет 1,0–2,0 мкм, скорость коррозии 0,01–0,03 мм в год, поверхность блестящая и защитная. При содержании DO 10 ppm толщина составляет 2,0–3,0 мкм, скорость коррозии 0,005–0,015 мм в год, поверхность блестящая и стабильная.

Влияние температуры на потребность в растворенном кислороде

Минимальное содержание растворенного кислорода, необходимое для стабильной пассивации, увеличивается с ростом температуры. При 80 градусах минимальный раствор кислорода для стабильного пассивационного слоя (скорость коррозии<0.02 mm per year) is 1 ppm. At 100°C, the minimum is 2 ppm. At 110°C, the minimum is 3 ppm. At 120°C, the minimum is 4 ppm. At 130°C, the minimum is 5 ppm. The recommended DO for a safety margin is 2–3 times the minimum.

Руководство по управлению содержанием растворенного кислорода в нагревателях на основе карбоната калия

В следующей таблице приведены рекомендации по уровням растворенного кислорода в 50% K₂CO₃ при температуре 110 градусов для титановых нагревателей классов 2 и 7.

Инженерное дело за пределами контроля растворенного кислорода

Марка титана влияет на требуемый уровень кислорода. Марка 7 (стабилизированная палладием-) образует стабильный слой титаната при более низких уровнях растворенного кислорода (1–2 ppm при 110 градусах) вследствие катализируемого палладием- восстановления кислорода. 12 класс предлагает промежуточное улучшение. Толщина стенки обеспечивает припуск на коррозию; Стенка толщиной 2,0 мм при коррозии 0,03 мм в год служит 60 лет. Концентрация K₂CO₃ влияет на пассивацию; при 40% K₂CO₃ требуемое содержание кислорода ниже. Присутствие в растворе K₂CO₃ хлоридов (из примесей) увеличивает потребность DO на 1–2 ppm.

Создание обоснованной спецификации

Для титанового нагревательного стержня с содержанием 50% K₂CO₃ при температуре 110 градусов поддерживайте концентрацию растворенного кислорода выше 5 частей на миллион путем барботирования воздуха или впрыска кислорода. Установите датчик растворенного кислорода с сигнализацией на уровне 4 частей на миллион и блокировкой на уровне 3 частей на миллион. Для существующих систем с содержанием растворенного кислорода ниже 3 частей на миллион добавьте барботер или увеличьте скорость аэрации. Если аэрация невозможна, разбавьте K₂CO₃ до 40% или уменьшите температуру до 100 градусов. Контролируя концентрацию растворенного кислорода выше 5 частей на миллион, инженер создает стабильный защитный слой титаната калия и сводит к минимуму коррозию.