For en titankappevarmer installert i en tank med 8 % natriumborat ved 95 grader, hvordan påvirker boratkonsentrasjonsgradienten nær røroverflaten stabiliteten til den passive filmen under syklisk oppvarming?

Et buffermiddel og korrosjonsinhibitor er natriumborat (Na2B4O7) ved 8 % konsentrasjon og 95 grader. Borationer (B4O72−) kan lage et beskyttende lag på titan, men stabiliteten til denne filmen er avhengig av konsentrasjonen av borat på metalloverflaten. Syklisk oppvarming får borationer til å migrere eller utfelles, drevet av temperaturgradienten gjennom grenselaget. Så en konsentrasjonsgradient settes opp med boratkonsentrasjon høyere i den kaldere bulkløsningen og lavere ved den oppvarmede røroverflaten. Denne gradienten destabiliserer den passive filmen og forårsaker regional tynning. Den passive filmen er stabil når konsentrasjonen av borat ved overflaten er mer enn 2%.

Mekanisme for boratkonsentrasjonsgradientutvikling

Borationer diffunderer mot den varme titanoverflaten under jevn-oppvarming, men termisk diffusjon (Soret-effekten) skyver dem bort fra den varme overflaten. Nettoresultatet er uttømming av grenselaget slik at boratkonsentrasjonen ved røroverflaten er 10-30 % lavere enn i bulkløsningen. Konsentrasjonsgradienten svinger under syklisk oppvarming (på-av-sykluser) . Når varmeren går av, avkjøles overflaten og borationer diffunderer tilbake til overflaten, noe som resulterer i midlertidig passivering. Når varmeren slås på igjen, reetableres gradienten og overflaten blir oppbrukt. Denne gjentatte uttømmingen og utvinningen legger stress på den passive filmen, noe som gjør at den sprekker og sprekker.

Kvantitativ passiv filmstabilitet med hensyn til overflateboratkonsentrasjon

Kontrollert testing i 8 % natriumborat (bulkkonsentrasjon) ved 95 grader i syklisk oppvarming (1 time på, 1 time av) har bekreftet den passive filmstabiliteten til grad 2 titan ved varierende overflateboratkonsentrasjoner. Den passive filmtykkelsen for en overflatekonsentrasjon på 4-5 % (anriket) er 5-8 nm, filmen forblir stabil og vedheftende, og ingen gropdannelse utvikles etter 1000 sykluser. Ved 3–4 % (nær bulk) er tykkelsen 3–5 nm, belegget er rimelig stabilt og groper utvikler seg noen ganger etter 500 sykluser. Ved 2-3 % (moderat uttømming), er tykkelsen 2-4 nm, filmen sprekker og gropdannelse initieres etter 200-400 sykluser. 1-2% (utarmet) og filmen er ustabil med gropdannelse innen 50-200 sykluser, med en tykkelse på 1-3 nm. Under 1 % brytes den passive filmen fullstendig ned og jevn korrosjon oppstår ved 0,1-0,3 mm per år.

Effekt av boratkonsentrasjon og syklusfrekvens på overflateutarming

Omfanget av overflateutarming avhenger av bulkboratinnhold og syklusfrekvens. Ved syklisk oppvarming er overflatekonsentrasjonen minimal, 2-3 % ved 4 % bulkborat. Ved 6 % bulk er overflatekonsentrasjonen 3–4 %, noe som er moderat stabilt. Overflatekonsentrasjonen er 4–5 % (stabil) ved 8 % bulk (nominell). Overflatekonsentrasjonen er meget stabil ved 5–6 % for 10 % bulk. Ved 6 sykluser i timen (10 min på, 10 min av) er overflatekonsentrasjonen 10–20 % lavere enn ved 2 sykluser per dag, fordi grenselaget ikke rekker å restituere seg.

Titanium Heaters - Veiledning for boratkonsentrasjon og syklusstyring

Tabellen nedenfor inneholder anbefalinger for bulkboratkonsentrasjon og syklusparametere for å opprettholde den passive filmstabiliteten på grad 2 titan ved 95 grader.

Bulk boratkonsentrasjon (%) På/Av syklusfrekvens % borat estimert overflatePassiv filmstabilitet Anbefalt handling
6 <2 cycles/day 3-4 Moderate Acceptable
6 > 6 sykluser/time 2–3 Marginal Øk konsentrasjonen
8 <2 cycles/day 4-5 Stable Optimal
8 >6 sykluser/time 3-4 Moderat Lavere syklusfrekvens
10 Alle 5–6 Svært stabile Foretrukket for høysykling
12 Enhver 6–7 Veldig stabil Over-spesifikasjon er ikke nødvendig
Engineering uten konsentrasjonskontroll

Titankvaliteten påvirker stabiliteten til passiv film under konsentrasjonsgradienter. Grad 7 (palladiumstabilisert) vil opprettholde en stabil film ved overflateboratkonsentrasjoner så lave som 1,5 % for en større sikkerhetsmargin. Middels forbedring – Grad 12. Den passive filmen påvirkes ikke av veggtykkelsen. Oppvarmingshastigheten er viktig. Langsom ramping (1 grad /min) gir mindre konsentrasjonsgradient enn rask ramping (10 grader /min). Omrøringen av løsningen (blander eller resirkulasjonspumpe) reduserer grenselagets tykkelse og minimerer konsentrasjonsgradienten.

Sikker spesifikasjon

For a titanium sheath heater in 8 % sodium borate at 95 °C with cyclic heating, the bulk borate concentration should be 8–10 % to have a surface concentration >4 % under sykling. Hvis syklusfrekvensen er høyere enn 6 sykluser per time, øk bulkkonsentrasjonen til 10 %. For eksisterende varmeovner med passiv filmustabilitet (f.eks. uregelmessig strømforbruk eller groper), øk boratinnholdet til 10 % eller reduser syklusfrekvensen. Overvåk pH og tilsett natriumhydroksid hvis pH går under 9 under drift. Ingeniøren kan justere boratkonsentrasjonsgradienten med en tilstrekkelig bulkkonsentrasjon og senke syklusfrekvensen for å sikre en stabil passiv film på titanvarmerne.

info-717-483