Når en titankappevarmer bruges til at koge en 5 % natriumtartratopløsning ved 103 grader, hvorfor er tartrationkomplekset titanionioner og forhindrer repassivering, hvilket fører til ensartet korrosion ved 0,2 mm om året?

I 5% natriumtartrat er tartrationen (C₄H₄O₆²⁻) et kraftigt chelateringsmiddel for titanium ved 103 grader (kogende). Pittingangreb er forårsaget af chlorid og fluorid, men tartrat fører til dannelsen af ​​opløselige titantartratkomplekser: Ti⁴⁺ + 3C₄H₄O₆²⁻ → [Ti(C₄H₄O₆)₃]⁴⁻. Kompleksdannelsen fjerner Ti 4+-ioner fra overfladen, efterhånden som de dannes, og hæmmer dannelsen af ​​en stabil passiv film. Uden en beskyttende belægning vil titanium erodere ensartet med en konstant hastighed på 0,15 – 0,25 mm om året uden lokaliseret grubetæring. Korrosionshastigheden er ikke en funktion af tiden efter en indledende overgangsfase.

Mekanisme af tartrat-induceret ensartet korrosion

Tartrationen har adskillige hydroxyl- og carboxylgrupper, der er i stand til at danne stabile femleddede chelatringe med Ti 4+ . log K~20). Dannelseskonstanten for Ti-tartratkomplekset er usædvanligt høj. Dette betyder, at eventuelt Ti⁴⁺ frigivet fra metaloverfladen kompleksdannes og straks tages i opløsning. Den passive film kan ikke vokse, fordi opløselighedsproduktet af TiO2 kun overskrides ved meget høje lokale koncentrationer af Ti4+.. Korrosionsprocessen er baseret på den direkte opløsning af metallet: Ti → Ti⁴⁺ + 4e⁻, efterfulgt af hurtig kompleksdannelse. Fordi der ikke er nogen passiv film, der lokalt kan nedbrydes, er processen ensartet.

Kvantitativ korrosionshastighed versus tartratkoncentration

Kontrollerede tests i kogende natriumtartratopløsninger (103 grader) i 500 timer har fastslået følgende for grad 2 titanium. Ved 0% tartrat (rent vand) er korrosionshastigheden 0,005-0,010 mm/år, overfladen er lys og mekanismen er passiv. Ved 1% tartrat er hastigheden 0,03-0,06 mm om året, overfladen viser let ætsning, og mekanismen er blandet. Ved 3% tartrat er hastigheden 0,08-0,15 mm/år, overfladen viser ensartet ætsning, og kompleksdannelse er den fremherskende proces. Med 5 % tartrat er hastigheden 0,15–0,25 mm/år, overfladen er ensartet mat finish, og processen er kompleksdannelsesdominerende. 0.20-0.35 mm/år ved 10 % tartrat, overfladen er jævnt mat, mekanismen er svær kompleksdannelse.

Effekt af pH og temperatur på komplekseringshastighed

Hastigheden af ​​kompleksdannelse og korrosionshastighed er en funktion af pH og temperatur. Korrosionshastighed ved 60 C, pH 7 og 5 % tartrat er 0,04-0,08 mm/år. Hastigheden ved 80 grader og pH 7 er 0,08-0,15 mm/år. Hastigheden er 0,15 til 0,25 mm/år ved 100 grader og pH 7. Hastigheden er 0,10-0,18 mm om året ved 100 grader og pH 9 (højere pH reducerer korrosion). Hastighed ved 100 grader, pH 5, 0,20-0,35 mm/år (lavere pH øger korrosionshastigheden). Aktiveringsenergien er omkring 50 kJ/mol.

Kontrol af tartratkoncentration og pH i titaniumvarmere

Følgende tabel angiver de anbefalede driftsbetingelser for Grade 2 og Grade 7 titaniumvarmere i natriumtartratopløsninger.

Natriumtartratkoncentration (%) Temperatur (grad) pH Grad 2 Korrosionshastighed (mm/år) Korrosionshastighed (mm/år) Grad 7 Anbefaling<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 Ikke anbefalet Engineering Beyond Tartrat Concentration Control

Titanium-kvaliteten påvirker kompleksdannelseshastigheden. Grad 7 (palladium stabiliseret) korrosionshastigheder er 30-50 % lavere end grad 2 i tartratopløsninger, da palladium stabiliserer en tynd passiv belægning selv under kompleksdannende forhold. Karakter 12 viser en moderat forbedring. Vægtykkelse giver et korrosionstillæg . 2 . 0 mm væg med 0 . 15 mm/år ensartet korrosion holder 13 år. Overfladefinish har ringe effekt på ensartet korrosion. Ved at øge pH til 9 med natriumhydroxid reduceres korrosionshastigheden med 30-40 %. Hvis temperaturen sænkes fra 100 grader til 80 grader, så halveres hastigheden.

Udvikling af en informeret specifikation

For en titanium sheath heater bør den dominerende mekanisme antages at være ensartet korrosion i 5% natriumtartrat ved 103 grader. Brug Grade 7 titanium til at sænke korrosionshastigheden til 0,10-0,18 mm om året. Brug en vægtykkelse på 2,0 mm til en levetid på 10 til 15 år. Hæv pH til 9 (hvis muligt) med natriumhydroxid eller sænk temperaturen til 80C. Under drift overvåges varmelegemets tykkelse ved ultralydsmåling én gang om året, og varmelegemet udskiftes, når vægtykkelsen når 0,5 mm. Ingeniøren er klar over, at tartrationer komplicerer titaniumioner og hæmmer repassivering, derfor vælger de den rigtige kvalitet og vægtykkelse for at sikre forudsigelig ensartet korrosion.