Как уровень растворенного в кислоте кислорода меняет критическую температуру питтинговой коррозии при использовании титановой электронагревательной трубки для кипячения 20% соляной кислоты?

Большинство металлов довольно агрессивны при кипении 20% HCl при температуре около 105 градусов. Титан обычно не рекомендуется использовать для использования HCl из-за быстрой активной коррозии. Однако другие применения требуют кратковременного или регулируемого воздействия, например, линии травления титановых деталей или специальные химические процедуры. В этих ограниченных условиях концентрация растворенного кислорода в кислоте становится основным критерием при определении способности титана выдерживать даже кратковременную эксплуатацию. Кислород действует как катодный деполяризатор и смещает потенциал поверхности титана в пассивную область. Критическая температура питтинга (CPT)-температура, выше которой возникает устойчивый питтинг-, значительно увеличивается с концентрацией растворенного кислорода. Титан подвергается воздействию при комнатной температуре в деаэрированной 20%-ной HCl. В 20% HCl при парциальном давлении кислорода 1 атм температура CPT поднимается примерно до 80 градусов, что все еще ниже точки кипения, но достаточно высоко для некоторых ограниченных условий эксплуатации при низких температурах.

Кислородозависимый-механизм пассивации в соляной кислоте

Титану требуется окислительная атмосфера для поддержания пассивной пленки TiO2. Соляная кислота является восстановителем, а ионы хлорида энергично атакуют любые оксидные дефекты. Кислород в растворе кислоты обеспечивает окислительный потенциал, необходимый для восстановления пленки. На поверхности титана происходит восстановление кислорода: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O. Эта катодная реакция увеличивает поверхностный потенциал и, следовательно, тормозит растворение титана. Если концентрация растворенного кислорода снижается до критического значения, то катодный ток из-за восстановления кислорода не может компенсировать анодный ток из-за растворения титана. Поверхностный потенциал падает в активную область, и начинается равномерная коррозия или питтинговая коррозия. Критическая питтинговая температура — это температура, при которой скорость пассивного распада пленки превышает скорость репассивации с помощью кислорода при данной концентрации кислорода.

Количественное изменение критической питтинговой температуры растворенным кислородом

Значения CPT для титана класса 2 в 20% HCl при атмосферном давлении приведены ниже по результатам контролируемых испытаний:

Растворенный кислород < 0,5 частей на миллион (деаэрированный, очищенный от N2-), CPT < 25 градусов. Титан при комнатной температуре – агрессивная коррозия. Скорость коррозии 2-5 мм/год. Не рекомендуется для горячего обслуживания.

Растворенный кислород при 2–5 ppm (воздух-насыщенный при 1 атм, типичный открытый сосуд): CPT 45–50 градусов. Пассивное поведение ниже 45 градусов, скорость коррозии<0.1 mm/year. Pitting starts within hours at temperatures above 50 °C. Attack is quick and devastating at boiling (105°C).

CPT 60-65 градусов). Растворенный кислород при 10-15 ppm (барботирование кислорода при 1 атм). ПРИЕМЛЕМО ПРИ 60 градусах, НО НЕ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ КИПЕНИЯ. Глубина точечной коррозии 0,5 мм после 100 часов работы при 65 градусах.

Растворенный кислород 30-40 ppm (парциальное давление кислорода 3 атм, система под давлением). КПП 75-80 градусов. При 75 градусах поверхность остается пассивной . 20% HCl при 105°C (1 атм) Еще ниже кипения

Dissolved oxygen >50 ppm (чистый кислород до 5 атм, специальное оборудование): CPT 85-90 градусов. Не достигает температуры кипения при атмосферном давлении, но приближается к ней. Требуется система под давлением для поддержания DO.

Практическое значение для эксплуатации при кипячении 20%-ной соляной кислоты

Объемная температура кипения 20% HCl при атмосферном давлении составляет 105 градусов. Любое количество растворенного кислорода при парциальном давлении 1 атм не может повысить температуру CPT до 105 градусов. . 65 степень – это максимально возможная температура CPT для кислоты, насыщенной кислородом-, при давлении 1 атм. Поэтому, независимо от барботирования кислорода, использование титана марки 2 для кипячения 20%-ной HCl принципиально нецелесообразно. При давлении парциального давления кислорода более 1 атм потребуется сосуд под давлением, который противоречит состоянию кипения . 1. Кипение 20% HCl: тантал, цирконий или некоторые чугуны с высоким содержанием кремния.

Контроль растворенного кислорода при работе с HCl при низких температурах

Титан класса 2 с контролем кислорода указан в следующей таблице для работы с HCl ниже CPT.

Концентрация HCl и рабочая температура Минимально необходимая концентрация растворенного кислородаМаксимально допустимая концентрация хлоридовРекомендуемая стратегия эксплуатации
3 ppm (насыщение воздухом) 40 градусов 10% HCl20% Стандартный открытый сосуд. Специального барботирования кислорода не требуется.
8 частей на миллион (непрерывное барботирование воздуха) 20% 15% HCl 50 градусов Поместите барботажник рядом с нагревателем. Еженедельные проверки DO
20% HCl при 60 градусах, 15 частей на миллион (требуется барботирование кислородом) 20% Используйте барботирование чистым кислородом. Создайте в сосуде давление до 2 атм для поддержания растворенного кислорода. Рекомендуется: титан класса 7.
20% HCl, 70 градусов C. Невозможно при 1 атм. 20 %. Степень 2 не подходит. Используйте барботирование кислорода под давлением 3 атм на уровне 7.
Chlorides >25% Any concentration at >25°CNo benefit >25% Титан Не рекомендуется независимо от кислорода.
Альтернативы сервисному обслуживанию HCl Кипячение

If you need to boil 20% HCl, use tantalum or zirconium heaters instead of titanium. Tantalum is passive even in deaerated acid and has a CPT >150 градусов в 20% HCl. Цирконий очень устойчив к кипению HCl во всех концентрациях. Если титан необходим по финансовым причинам, выполняйте операцию при температуре ниже 50 градусов с постоянным барботированием кислорода и примите ограниченный срок службы нагревателя 6-12 месяцев. Титан класса 7 (стабилизированный палладием) дает увеличение CPT на 10-15 градусов по сравнению с классом 2 при тех же условиях кислорода и расширяет полезный диапазон температур примерно до 75 градусов при барботировании кислорода.

Создание обоснованной спецификации<

Если вы рассматриваете титановую электрическую нагревательную трубку для любого применения соляной кислоты, первое, что вам нужно сделать, это определить или определить уровень растворенного кислорода в кислоте. Обратите внимание, что титан вряд ли обеспечит удовлетворительный срок службы при температуре выше 60 градусов, если в системе не создается давление для увеличения растворимости кислорода. 20% HCl, давление окружающей среды, кипение. Не указывайте титан. Вместо этого запросите расценки на танталовый или циркониевый нагреватель. Если процесс предполагает только периодическое кипячение (например, циклы очистки), рассмотрите возможность использования съемного нагревателя, который можно вынимать из кислоты во время кипячения. Инженер, зная основную взаимосвязь между растворенным кислородом и критической температурой питтинговой коррозии, избегает обычной ошибки, заключающейся в том, что общая коррозионная стойкость титана применима к горячей концентрированной соляной кислоте.