За нагревател от титаниева обвивка, инсталиран в резервоар с 8% натриев борат при 95 градуса, как градиентът на концентрация на борат близо до повърхността на тръбата влияе върху стабилността на пасивния филм при циклично нагряване?

8% натриев борат (Na2B4O7) при 95 градуса се използва като буфериращ агент и инхибитор на корозията. Боратните йони (B 4 O 7 2 - ) могат да създадат защитен слой върху титана, но стабилността на този филм зависи от концентрацията на борат върху металната повърхност. Температурният градиент през граничния слой предизвиква миграцията или утаяването на боратните йони при циклично нагряване. Това води до концентрационен градиент с по-висока концентрация на борат в по-хладния насипен разтвор и по-ниска концентрация на борат в повърхността на горещата тръба. Полученият градиент дестабилизира пасивния филм и води до локализирано изтъняване. Стабилността на пасивния филм се поддържа на повърхността при концентрация на борат, по-висока от 2%.

Механизмът на образуване на градиенти на концентрация на борат

При стабилно нагряване боратните йони се придвижват към горещата титанова повърхност, но топлинната дифузия (ефект на Соре) ги отдръпва от горещата повърхност. Крайният резултат е обеднен граничен слой, като концентрацията на борат на повърхността на тръбата е с 10-30% по-ниска от тази в основния разтвор. Цикличното нагряване (цикли на включване-изключване) кара градиента на концентрация да осцилира. Докато нагревателят се изключва, повърхността се охлажда и боратните йони дифундират обратно към повърхността с последваща преходна пасивация. Когато нагревателят се включи отново, градиентът се възстановява и повърхността се изтощава. Това периодично изчерпване и възстановяване натоварва пасивния филм и води до напукване и разцепване.

Количествена стабилност на пасивни филми като функция от повърхностната концентрация на борат

Стабилността на пасивния филм за титан от клас 2 при различни повърхностни боратни концентрации е доказана по време на контролирано тестване в 8% натриев борат (обемна концентрация) при 95 градуса при циклично нагряване (1 час включено, 1 час изключено). Дебелината на пасивния филм при 4-5% повърхностна концентрация (обогатен) е 5-8 nm. Филмът е стабилен и адхезиран и след 1000 цикъла не се появяват питинги. Филмът като цяло е стабилен и след 500 цикъла се появяват някои питинги (дебелина 3-5 nm при 3-4% (почти обем)). При 2-3% (умерено изчерпване) дебелината е 2-4 nm, филмът е напукан и питингът започва след 200-400 цикъла. Филмът е крехък и питинг се появява в рамките на 50–200 цикъла, когато дебелината е 1–3 nm при 1–2 % (изчерпана). При стойности под 1% пасивният филм се разрушава напълно и настъпва равномерна корозия със скорост 0,1–0,3 mm/година.

Ефект на концентрацията на борат и скоростта на цикъла върху повърхностното изчерпване

Степента на изчерпване на повърхността зависи от концентрацията на насипния борат и честотата на цикъла. При циклично нагряване повърхностната концентрация с 4% насипен борат е минимална, 2-3%. 6% насипна концентрация, повърхностната концентрация е 3-4%. Умерено стабилен. Номиналната обемна концентрация е 8%. Повърхностната концентрация е 4-5%. Това е стабилно. Повърхностната концентрация е 5–6 % и е много стабилна при 10 % обем. При честота на цикъла от 6 цикъла на час (10 минути включено, 10 минути изключено), повърхностната концентрация е с 10–20% по-ниска, отколкото при 2 цикъла на ден, тъй като граничният слой няма време да се възстанови.

Ръководство за концентрация на борат и управление на цикъла за титаниеви нагреватели

Препоръките за насипно съдържание на борат и параметри на цикъла за поддържане на стабилността на пасивен филм върху титан клас 2 при 95 градуса са обобщени в таблицата по-долу.

Концентрация на насипен борат (%) Честота на цикъла (вкл./изкл.) % Повърхностен борат (приблизително) Стабилност на пасивен филм Препоръчително действие
6 <2 cycles/day 3–4 Moderate Acceptable
6 >6 цикъла/час 2-3 Повишаване на пределната концентрация
8 <2 cycles/day 4–5 Stable Optimal
8 >6 цикъла/час 3-4 умерено Намалете честотата на цикъла
10 Всеки 5–6 Много стабилен Предпочитан за високи цикли
12 Всеки 6–7 Много стабилен Ненужен над-спецификация
Инженеринг без контрол на концентрацията

Степента на титана влияе върху стабилността на пасивния филм при градиенти на концентрация. Клас 7 (стабилизиран с паладий) е стабилен до повърхностни концентрации на борат от 1,5% с по-висок коефициент на безопасност. Степен 12 е за умерено подобрение. Дебелината на стената няма ефект върху пасивното фолио. Скоростта на нагряване е важна. Бавното нарастване (1 градус в минута) намалява градиента на концентрация в сравнение с бързото нарастване (10 градуса в минута). Разбъркването на разтвора (миксер или рециркулационна помпа) намалява дебелината на граничния слой и така минимизира концентрационния градиент.

Предоставяне на информирана спецификация

За циклично нагряване на нагревател с титаниева обвивка в 8% натриев борат при 95 градуса, поддържайте концентрацията на борат в насипно състояние на 8–10%, за да постигнете повърхностна концентрация над 4% по време на цикъла. Ако честотата на цикъла е повече от 6 цикъла на час, увеличете общата концентрация до 10%. За съществуващи нагреватели с нестабилност на пасивен филм (нестабилна консумация на енергия или питинг), добавете борат, за да доведете концентрацията му до 10% или намалете честотата на цикъла. Проверявайте рН по време на работа и добавете натриев хидроксид, ако рН е под 9. Инженерът контролира градиента на концентрация на борат чрез достатъчна обемна концентрация и по-ниска честота на циклиране, за да запази стабилен пасивния филм на титаниевите нагреватели.