Når en titankappevarmer brukes til å koke en 5 % natriumtartratløsning ved 103 grader, hvorfor fører tartration-ionkomplekset titanioner og forhindrer repassivering, noe som fører til jevn korrosjon med 0,2 mm per år?

I 5 % natriumtartrat er tartrationet (C₄H₄O₆²⁻) et kraftig chelateringsmiddel for titan ved 103 grader (kokende). Pittingangrep er forårsaket av klorid og fluor, men tartrat fører til dannelse av løselige titantartratkomplekser: Ti⁴⁺ + 3C₄H₄O₆²⁻ → [Ti(C₄H₄O₆)₃]⁴⁻. Kompleksdannelsen fjerner Ti 4+-ioner fra overflaten etter hvert som de dannes og hemmer dannelsen av en stabil passiv film. Uten et beskyttende dekke vil titan erodere jevnt med en konstant hastighet på 0,15 – 0,25 mm per år uten lokalisert gropdannelse. Korrosjonshastighet er ikke en funksjon av tid etter en innledende overgangsfase.

Mechanism of Tartrat-Indusert jevn korrosjon

Tartrationet har flere hydroksyl- og karboksylgrupper som er i stand til å danne stabile femleddede chelatringer med Ti 4+ . log K~20). Dannelseskonstanten for Ti-tartratkomplekset er eksepsjonelt høy. Dette betyr at eventuelt Ti⁴⁺ som frigjøres fra metalloverflaten, kompleksdannes og umiddelbart tas i løsning. Den passive filmen kan ikke vokse, fordi løselighetsproduktet til TiO2 kun overskrides ved svært høye lokale konsentrasjoner av Ti4+.. Korrosjonsprosessen er basert på direkte oppløsning av metallet: Ti → Ti⁴⁺ + 4e⁻, etterfulgt av rask kompleksdannelse. Fordi det ikke er noen passiv film som lokalt kan brytes ned, er prosessen jevn.

Kvantitativ korrosjonshastighet versus tartratkonsentrasjon

Kontrollerte tester i kokende natriumtartratløsninger (103 grader) i 500 timer har etablert følgende for grad 2 titan. Ved 0 % tartrat (rent vann) er korrosjonshastigheten 0,005–0,010 mm/år, overflaten er blank og mekanismen er passiv. Ved 1 % tartrat er hastigheten 0,03–0,06 mm per år, overflaten viser lett etsning og mekanismen er blandet. Ved 3 % tartrat er hastigheten 0,08–0,15 mm/år, overflaten viser jevn etsing og kompleksdannelse er den utbredte prosessen. Med 5 % tartrat er hastigheten 0,15–0,25 mm/år, overflaten er ensartet matt finish, og prosessen er kompleksdannelsesdominerende. 0.20-0.35 mm/år ved 10 % tartrat, overflate jevnt matt, mekanisme alvorlig kompleksdannelse.

Effekt av pH og temperatur på komplekseringshastighet

Graden av kompleksdannelse og korrosjonshastighet er en funksjon av pH og temperatur. Korrosjonshastighet ved 60 C, pH 7 og 5 % tartrat er 0,04-0,08 mm/år. Hastigheten ved 80 grader og pH 7 er 0,08-0,15 mm/år. Hastigheten er 0,15 til 0,25 mm/år ved 100 grader og pH 7. Hastigheten er 0,10–0,18 mm per år ved 100 grader og pH 9 (høyere pH reduserer korrosjon). Hastighet ved 100 grader, pH 5, 0,20–0,35 mm/år (lavere pH øker korrosjonshastigheten). Aktiveringsenergien er rundt 50 kJ/mol.

Kontroll av tartratkonsentrasjon og pH i titanvarmere

Følgende tabell gir anbefalte driftsforhold for grad 2 og grad 7 titaniumvarmere i natriumtartratløsninger.

Natriumtartratkonsentrasjon (%) Temperatur ( grad ) pH Grad 2 Korrosjonshastighet (mm/år) Korrosjonshastighet (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 anbefalt Engineering Beyond Tartrat Concentration Control

Titankvaliteten påvirker kompleksdannelseshastigheten. Grad 7 (palladiumstabilisert) korrosjonshastigheter er 30-50 % lavere enn grad 2 i tartratløsninger, da palladium stabiliserer et tynt passivt belegg selv under kompleksdannende forhold. Karakter 12 viser en moderat forbedring. Veggtykkelse gir korrosjonstillegg . 2 . 0 mm vegg med 0 . 15 mm/år jevn korrosjon varer 13 år . Overflatefinish har liten effekt på jevn korrosjon. Ved å øke pH til 9 med natriumhydroksid reduseres korrosjonshastigheten med 30–40 %. Hvis temperaturen senkes fra 100 grader til 80 grader, halveres hastigheten.

Utvikle en informert spesifikasjon

For en titanmantelvarmer bør den dominerende mekanismen antas å være jevn korrosjon i 5 % natriumtartrat ved 103 grader. Bruk grad 7 titan for å senke korrosjonshastigheten til 0,10–0,18 mm per år. For en levetid på 10 til 15 år, bruk en veggtykkelse på 2,0 mm. Øk pH til 9 (hvis mulig) med natriumhydroksid eller senk temperaturen til 80C. Under drift overvåkes tykkelsen på varmeren med ultralydmåling en gang i året og varmeren skiftes ut når veggtykkelsen når 0,5 mm. Ingeniøren er klar over at tartrationer kompliserer titanioner og hemmer repassivering, derfor velger de riktig kvalitet og veggtykkelse for å sikre forutsigbar jevn korrosjon.