При нагряване на фосфорна киселина (30-50%) при 100 градуса, защо замърсяването с разтворено желязо ускорява корозията на титан над приемливите нива?

Титаниевото отоплително оборудване в услугата с фосфорна киселина показва противоречиво поведение. Титан клас 2 в химически чиста 30-50% фосфорна киселина при 100 градуса има ниска скорост на корозия от 0,05-0,10 mm на година, което е в рамките на допустимите граници за нагревателни тръби. Въпреки това, промишлената фосфорна киселина с мокър процес (WPA), получена от смилането на фосфатна скала, съдържа много примеси, а разтвореното желязо (Fe2+ и Fe3+) ​​има най-опустошителния ефект върху корозионната устойчивост на титан сред тях. Дори 0,5% замърсяване с желязо може да увеличи степента на корозия на титана с коефициент от 10 до 50, което води до перфорация на тръбата за месеци, а не за години. Тази статия описва електрохимичния механизъм на индуцирана от желязо ускоряваща корозия и определя безопасни граници на съдържанието на желязо за работата на титаниеви нагреватели.

Механизъм за ускоряване на корозията чрез желязо
Пасивният филм върху титан във фосфорна киселина се състои главно от TiO 2 с интегрирани фосфатни видове. Филмът е стабилен между различни електрохимични потенциали. Разтворените железни йони, главно Fe³⁺, са редокс совалки, които се движат между Fe3⁺ и Fe²⁺ на титановата повърхност. Всеки Fe³⁺ йон, който влиза в контакт с повърхността, взема електрон от титан (редуцира се до Fe²⁺), след което дифундира и се окислява отново до Fe3⁺ от разтворен кислород. Този постоянен редокс цикъл успешно прехвърля електрони от титановия метал към насипния разтвор, като по този начин заобикаля защитното пасивно покритие.

Електрохимичните измервания показват мащаба на този ефект. Корозионният потенциал на титан клас 2 в чист 40% H₃PO₄ при 100 градуса се стабилизира между +150 и +250 mV спрямо SCE с пасивна плътност на тока от 5 µA/cm². Добавянето на 0,5% Fe3+ (под формата на железен фосфат) повишава корозионния потенциал до +400 до +550 mV спрямо SCE и повишава пасивната плътност на тока до 50-100 µA/cm2. При 1,0% желязо плътността на тока е 200-300 µA/cm 2 и съответства на скорост на корозия от 0,5-0,8 mm на година. При 2,0% желязо нивата са по-големи от 1,5 mm/година.

**Критичен лимит за желязо в услугата на нагревателя**
Дългосрочният -тест за излагане на титан от степен 2 във фосфорна киселина при 100 градуса открива практическа граница за желязото. При разтворено желязо под 0,2% скоростите на корозия са под 0,10 mm/година, достатъчни за 10 години живот на нагревателя с 1,5 mm дебелина на стената. Скоростите са 0,15-0,30 mm/година при 0,2 до 0,5% желязо, което би намалило очаквания живот до 3-5 години с типична дебелина на стената. Степента на корозия над 0,5% желязо е твърде висока (повече от 0,5 mm на година) и включва локализирана питинг, която допринася за допълнителна загуба на метал.

Фосфорната киселина по -мокър процес обикновено съдържа 0,8-1,5% разтворено желязо от примеси от фосфатни скали. WPA изпарителите и концентраторите използват титаниеви нагреватели, които корозират бързо при липса на предварителна обработка за отстраняване на желязо или надграждане до по-устойчива титанова сплав. Титанът от степен 7 (Ti-0,15Pd) подобрява толерантността към желязо, с нива под 0,15 mm на година при 0,8% желязо, но дори степен 7 не успява да надхвърли 1,2% желязо.

Матрица на приложението и стратегии за смекчаване
Източник на фосфорна киселина Типично съдържание на желязо Препоръчителен материал на нагревателя Очаквана скорост на корозия Експлоатационен живот (1,65 mm стена)
Пречистен (термичен процес) титан клас 2<0.05% 0.05-0.08 mm/year 15-20 years WPA, solvent-extracted Grade 2 titanium (1.65-2.0 mm) 0.2-0.4% 0.10-0.15 mm/year 8-12 years WPA, untreated (low iron rock) Grade 7 titanium (2.0 mm) 0.5-0.8% 0.12-0.20 mm/year 6-10 years WPA, untreated (high iron rock) Grade 7 + iron removal system 0.8-1.5% 0.20-0.40 mm/year 3-5 years
Superphosphoric acid (>70% P₂O₅) Променлив Цирконий или тантал Не се прилага Титан не се препоръчва
Резюме на спецификациите на нагревателя с фосфорна киселина
Замърсяването с разтворено желязо повече от 0,2% във фосфорна киселина при 100 градуса насърчава корозията на титана чрез редокс цикличен механизъм, който заобикаля защитата, предоставена от пасивния филм. За киселина с мокър процес с типично съдържание на желязо от 0,8 до 1,5 %, титаниеви нагреватели от клас 2 ще се повредят след 2 до 3 години. Инженерите са изправени пред избора да посочат степен 7 на титан (който повишава толерантността към желязо до приблизително 0,8%) или да добавят стъпки за отстраняване на желязо (екстракция с разтворител, йонен обмен) преди нагревателя. Когато купувате титаниеви нагреватели за обслужване с фосфорна киселина, винаги изисквайте купон за тест за корозия, който е бил подложен на действителната технологична киселина, и изисквайте минимална дебелина на стената от 2,0 mm за степен 2 или 1,65 mm за степен 7 в желязо-съдържаща киселина.