В 5% тартрате натрия при температуре 103 градуса (кипение) тартрат-ион (C₄H₄O₆²⁻) является сильным хелатирующим агентом для титана. В отличие от хлорида или фторида, вызывающих точечную коррозию, тартрат образует растворимые комплексы титана-тартрата: Ti⁴⁺ + 3C₄H₄O₆²⁻ → [Ti(C₄H₄O₆)₃]⁴⁻. Это комплексообразование удаляет ионы Ti⁴⁺ с поверхности по мере их образования, предотвращая образование стабильной пассивной пленки. Без защитной пленки титан корродирует равномерно с постоянной скоростью 0,15–0,25 мм в год, без локальных питтингов. Скорость коррозии не зависит от времени после начального переходного периода.

Механизм равномерной коррозии, вызванной тартратом-

Тартрат-ионы имеют множество гидроксильных и карбоксильных групп, которые образуют с Ti⁴⁺ стабильные пятичленные хелатные кольца. Константа образования тартратного комплекса Ti- очень высока (log K ≈ 20). Это означает, что любой Ti⁴⁺, высвободившийся с поверхности металла, немедленно образует комплекс и перейдет в раствор. Пассивная пленка не может образовываться, поскольку произведение растворимости TiO₂ превышается только при очень высоких локальных концентрациях Ti⁴⁺. Коррозия протекает путем прямого растворения металла: Ti → Ti⁴⁺ + 4e⁻ с последующим быстрым комплексообразованием. Процесс является однородным, поскольку нет пассивной пленки, которая могла бы локально разрушиться.

Количественная скорость коррозии как функция концентрации тартрата

Контролируемые испытания в кипящих растворах тартрата натрия (103 градуса) в течение 500 часов установили для титана класса 2 следующее. При 0 % тартрата (чистая вода) скорость коррозии составляет 0,005–0,010 мм в 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 в год, поверхность имеет равномерный травление, преобладает комплексообразование. При 5% тартрате скорость составляет 0,15–0,25 мм в год, поверхность однородная матовая, механизм комплексообразования-доминирует. При 10% тартрате скорость составляет 0,20–0,35 мм в год, поверхность равномерно матовая, механизм – сильное комплексообразование.

Влияние pH и температуры на скорость комплексообразования

Скорость комплексообразования и скорость коррозии зависят от pH и температуры. При 60 градусах и pH 7 с 5% винной кислотой скорость коррозии составляет 0,04–0,08 мм в год. При 80 градусах и pH 7 скорость составляет 0,08–0,15 мм в год. При 100 градусах и pH 7 скорость составляет 0,15–0,25 мм в год. При 100 градусах и pH 9 скорость составляет 0,10–0,18 мм в год (более высокий pH замедляет коррозию). При 100 градусах и pH 5 скорость составляет 0,20–0,35 мм в год (меньшее значение pH ускоряет коррозию). Энергия активации составляет примерно 50 кДж/моль.

Руководство по концентрации тартрата и контролю pH для титановых нагревателей

В следующей таблице приведены рекомендации по условиям эксплуатации титановых нагревателей Grade 2 и Grade 7 в растворах тартрата натрия.

Инженерное дело за пределами контроля концентрации тартрата

Марка титана влияет на скорость комплексообразования. Степень коррозии 7 (стабилизированный палладием-) имеет на 30–50 % меньшую скорость коррозии, чем степень 2 в тартратных растворах, поскольку палладий помогает поддерживать тонкую пассивную пленку даже в условиях комплексообразования. 12 класс предлагает промежуточное улучшение. Толщина стенки обеспечивает припуск на коррозию; стенка толщиной 2,0 мм при равномерной коррозии 0,15 мм в год сохраняется 13 лет. Обработка поверхности не оказывает существенного влияния на равномерную коррозию. Повышение pH до 9 за счет добавления гидроксида натрия снижает скорость коррозии на 30–40%. Снижение температуры со 100 градусов до 80 градусов снижает показатель на 50%.

Создание обоснованной спецификации

Для нагревателя с титановой оболочкой в ​​5% тартрате натрия при температуре 103 градуса доминирующим механизмом является равномерная коррозия. Используйте титан Grade 7, чтобы снизить скорость коррозии до 0,10–0,18 мм в год. Используйте толщину стенки 2,0 мм, чтобы обеспечить срок службы 10–15 лет. Если возможно, увеличьте pH до 9, добавив гидроксид натрия, или уменьшите температуру до 80 градусов. В процессе эксплуатации ежегодно контролируйте толщину нагревателя ультразвуковым методом; когда толщина стенки достигнет 0,5 мм, замените ТЭН. Понимая, что ионы тартрата образуют комплекс с ионами титана и предотвращают репассивацию, инженер выбирает подходящую марку и толщину стенки для предсказуемой равномерной коррозии.