В нагревателе с пучком титановых трубок для 20% раствора нитрата аммония при 80 градусах, как уровень pH (4,5 против . 6.5) меняет плотность пассивационного тока и риск коррозионного растрескивания под напряжением?
Оставить сообщение
В 20%-ном растворе нитрата аммония (NH₄NO₃) при температуре 80 градусов pH существенно влияет на пассивационное поведение титана. При pH 6,5 (около нейтрального) пассивная пленка стабильна, имеет плотность тока пассивации 0,05–0,1 мкА/см² и низкий риск коррозионного растрескивания под напряжением (SCC). При pH 4,5 (кислый в результате гидролиза) плотность тока пассивации возрастает до 0,5–2 мкА/см², и риск плоскоклеточного рака значительно возрастает. Нитрат-ион (NO₃⁻) является окислителем, и при более низком pH его реакция восстановления ускоряется, повышая потенциал коррозии до уровня, в котором происходит локализованный распад. Трещины SCC возникают в точках концентрации напряжений, таких как выступы сварных швов или изгибы.
Механизм pH-зависимой пассивации и SCC в нитрате аммония
При более высоком pH (6,5) катодная реакция представляет собой главным образом восстановление кислорода, что поддерживает пассивный потенциал поверхности титана ниже 0,5 В по сравнению со стандартным водородным электродом. Пассивная пленка стабильна и быстро восстанавливается. При более низком pH (4,5) восстановление нитрат-ионов (NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → NO₂⁻ + H₂O) становится значительным. Эта реакция имеет более высокую плотность тока обмена, что приводит к повышению смешанного потенциала в транспассивном диапазоне выше 1,0 В. В этом диапазоне пассивная пленка локально разрушается. Если присутствует растягивающее напряжение, в местах разрушения возникает SCC.
Количественная плотность тока пассивации и риск SCC как функция pH
Контролируемые испытания в 20% растворе NH₄NO₃ при температуре 80 градусов в течение 1000 часов установили следующее поведение пассивации для титана класса 2. При pH 6,5 плотность тока пассивации составляет 0,05–0,10 мкА/см², время инициирования SCC превышает 5000 часов, риск SCC низкий. При pH 6,0 ток пассивации составляет 0,08–0,15 мкА/см², время инициирования SCC составляет 3000–5000 часов, риск от низкого до умеренного. При pH 5,5 ток пассивации составляет 0,15–0,30 мкА/см², SCC начинается через 1000–3000 часов, риск умеренный. При pH 5,0 ток пассивации составляет 0,30–0,70 мкА/см², SCC возникает через 500–1500 часов, риск высок. При pH 4,5 ток пассивации составляет 0,50–1,50 мкА/см², SCC начинается через 200–800 часов, и риск серьезен. При pH 4,0 ток пассивации составляет 1,0–3,0 мкА/см², SCC начинается через 100–400 часов, и риск очень серьезен.
Влияние концентрации хлоридов и нитратов на риск плоскоклеточного рака
Присутствие хлорида в растворе нитрата аммония увеличивает риск плоскоклеточного рака при любом pH. При pH 5,5 и концентрации хлорида 0 ppm риск плоскоклеточного рака умеренный. При pH 5,5 и концентрации хлорида 100 ppm риск плоскоклеточного рака становится высоким, поэтому рекомендуется титан класса 7. При pH 5,0 и хлориде 0 ppm риск плоскоклеточного рака высок, рекомендуется 7 степень. При pH 5,0 и концентрации хлорида 100 ppm риск плоскоклеточного рака серьезен и требует 7-го класса плюс электрическую изоляцию. При pH 4,5 с содержанием хлорида 0 ppm класс 7 обеспечивает приемлемые характеристики. При pH 4,5 и концентрации хлорида 100 ppm даже класс 7 может выйти из строя в течение 2000 часов.
Руководство по контролю pH и смягчению последствий SCC для нагревателей на основе нитрата аммония
В следующей таблице представлены рекомендации по контролю pH и выбору марки титана для 20% нитрата аммония при температуре 80 градусов в зависимости от желаемого срока службы и загрязнения хлоридами.
| Рабочий pH | Хлорид (ppm) | Рекомендуемая оценка | Ожидаемый срок службы-Free SCC (часы) | Плотность тока пассивации (мкА/см²) |
|---|---|---|---|---|
| >6.0 | <100 | 2 класс | >10,000 | 0.05–0.15 |
| 5.5–6.0 | <50 | 2 класс | 5,000–10,000 | 0.15–0.30 |
| 5.5–6.0 | 50–100 | 7 класс | 8,000–15,000 | 0.10–0.25 |
| 5.0–5.5 | <50 | 7 класс | 5,000–10,000 | 0.20–0.40 |
| 5.0–5.5 | 50–100 | Изоляция класса 7 + | 3,000–6,000 | 0.30–0.60 |
| 4.5–5.0 | <50 | Изоляция класса 7 + | 3,000–5,000 | 0.50–1.00 |
| <4.5 | Любой | Процесс редизайна | <2,000 | >1.00 |
Инженерия за пределами контроля pH
Толщина стенки обеспечивает припуск на распространение трещин; Стена толщиной 2,0 мм с трещинами SCC со скоростью 0,1 мм в час выдерживает 20 часов после возникновения трещины. Раствор аммиачной селитры следует нейтрализовать гидроксидом аммония для поддержания pH выше 6,0. Монитор pH с сигналом тревоги на уровне 5,8 и блокировкой на уровне 5,5 предотвращает работу в диапазоне высокого-риска. После изготовления нагреватель необходимо-снять с напряжения, чтобы уменьшить остаточное растягивающее напряжение. Носки сварных швов следует отполировать, чтобы уменьшить концентрацию напряжений. Раствор следует отфильтровать для удаления частиц, которые могут выступать в качестве мест инициирования SCC.
Создание обоснованной спецификации
Для нагревателя с пучком титановых трубок, содержащего 20% нитрата аммония при температуре 80 градусов, поддерживайте pH выше 6,0 для класса 2 или выше 5,5 для класса 7. Установите непрерывный монитор pH с сигнализацией, установленной на 5,8, и блокировкой, которая отключает нагреватель, если pH падает ниже 5,5. Добавляйте гидроксид аммония автоматически, чтобы поддерживать уровень pH. Если уровень хлоридов превышает 50 ppm, укажите титан класса 7. В процессе эксплуатации ежегодно проверяйте нагреватель на предмет SCC, используя капиллярную краску в местах сварных швов и изгибов. Контролируя уровень pH выше критического порога, инженер снижает плотность тока пассивации и предотвращает коррозионное растрескивание под напряжением.
