Когда нагреватель с титановой оболочкой используется для кипячения 5% раствора тартрата натрия при температуре 103 градуса, почему ион тартрата образует комплекс с ионами титана и предотвращает репассивацию, что приводит к равномерной коррозии со скоростью 0,2 мм в год?

В 5% тартрате натрия ион тартрата (C₄H₄O₆²⁻) является мощным хелатирующим агентом для титана при температуре 103 градуса (кипения). Питтинговая атака вызвана хлоридом и фторидом, но тартрат приводит к образованию растворимых тартратных комплексов титана: Ti⁴⁺ + 3C₄H₄O₆²⁻ → [Ti(C₄H₄O₆)₃]⁴⁻. Комплексообразование удаляет ионы Ti 4+ с поверхности по мере их образования и препятствует образованию стабильной пассивной пленки. Без защитного покрытия титан будет эродировать равномерно с постоянной скоростью 0,15–0,25 мм в год без локального изъязвления. Скорость коррозии не является функцией времени после начальной переходной фазы.

Механизм тартратной-равномерной коррозии, вызванной

Тартрат-ион имеет несколько гидроксильных и карбоксильных групп, способных образовывать стабильные пятичленные хелатные кольца с Ti 4+ . log K~20). Константа образования тартратного комплекса Ti- исключительно высока. Это означает, что любой Ti⁴⁺, высвободившийся с поверхности металла, образует комплекс и быстро переходит в раствор. Пассивная пленка не может расти, поскольку произведение растворимости TiO2 превышается только при очень высоких локальных концентрациях Ti4+.. Процесс коррозии основан на прямом растворении металла: Ti → Ti⁴⁺ + 4e⁻ с последующим быстрым комплексообразованием. Поскольку нет пассивной пленки, которая могла бы локально разрушаться, процесс является равномерным.

Количественная скорость коррозии в зависимости от концентрации тартрата

Контролируемые испытания в кипящих растворах тартрата натрия (103 градуса) в течение 500 часов установили для титана Grade 2 следующее. При 0% тартрата (чистая вода) скорость коррозии составляет 0,005–0,010 мм/год, поверхность блестящая, механизм пассивный. При 1% тартрате скорость составляет 0,03–0,06 мм в год, на поверхности наблюдается легкое травление, механизм смешанный. При 3% тартрате скорость составляет 0,08–0,15 мм/год, поверхность имеет равномерное травление, преобладающим процессом является комплексообразование. При 5% тартрата скорость составляет 0,15–0,25 мм/год, поверхность однородная матовая, в процессе преобладает комплексообразование. 0.20-0.35 мм/год при 10% тартрата, поверхность равномерно матовая, механизм сильного комплексообразования.

Влияние pH и температуры на скорость комплексообразования

Скорость комплексообразования и скорость коррозии зависят от pH и температуры. Скорость коррозии при 60°С, рН 7 и 5% тартрате составляет 0,04-0,08 мм/год. Скорость при 80 градусах и рН 7 составляет 0,08-0,15 мм/год. Скорость составляет от 0,15 до 0,25 мм/год при 100 градусах и pH 7. Скорость составляет 0,10–0,18 мм в год при 100 градусах и pH 9 (более высокий pH снижает коррозию). Скорость при 100 градусах, pH 5, 0,20–0,35 мм/год (более низкий pH увеличивает скорость коррозии). Энергия активации составляет около 50 кДж/моль.

Контроль концентрации тартрата и pH в титановых нагревателях

В следующей таблице приведены рекомендуемые условия эксплуатации титановых нагревателей классов 2 и 7 в растворах тартрата натрия.

Тартрат натрия Концентрация (%) Температура (градусы) pH Класс 2 Скорость коррозии (мм/год) Скорость коррозии (мм/год) Класс 7Рекомендация<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 Не рекомендуется. Разработка за пределами контроля концентрации тартрата.

Марка титана влияет на скорость комплексообразования. Скорость коррозии 7-й степени (стабилизированной палладием) на 30-50% ниже, чем 2-й степени в тартратных растворах, поскольку палладий стабилизирует тонкое пассивное покрытие даже в комплексообразующих условиях. В 12 классе наблюдается умеренное улучшение. Толщина стенки дает припуск на коррозию . 2 . 0 мм. Стена с 0 . 15 мм/год, равномерная коррозия длится 13 лет. Обработка поверхности мало влияет на равномерную коррозию. При повышении pH до 9 с помощью гидроксида натрия скорость коррозии снижается на 30–40 %. Если температура снижается со 100 градусов до 80 градусов, то скорость снижается вдвое.

Разработка обоснованной спецификации

Для нагревателя с титановой оболочкой доминирующим механизмом следует считать равномерную коррозию в 5% тартрате натрия при температуре 103 градуса. Используйте титан Grade 7, чтобы снизить скорость коррозии до 0,10–0,18 мм в год. Для срока службы от 10 до 15 лет используйте толщину стенки 2,0 мм. Поднимите pH до 9 (если возможно) с помощью гидроксида натрия или понизьте температуру до 80°C. В процессе эксплуатации толщину нагревателя контролируют ультразвуковым замером один раз в год и заменяют нагреватель при достижении толщины стенки 0,5 мм. Инженер знает, что ионы тартрата усложняют ионы титана и препятствуют репассивации, поэтому выбирают правильную марку и толщину стенки, чтобы обеспечить предсказуемую равномерную коррозию.