Защо титанов нагревател се проваля чрез равномерно разреждане в концентрирана мравчена киселина, но чрез локализирано питинг в разредена (5%) мравчена киселина?

Например, причината за повредата на титанов потопяем нагревател в мравчена киселина варира в широки граници в зависимост от концентрацията на киселина, което е важно за инженера при избора на нагревател. 2. Титанът от клас 2 в концентрирана мравчена киселина (85-99%) корозира равномерно чрез изтъняване, с предвидима, измерена скорост на корозия, която позволява избор на дебелина на стената въз основа на допустимата корозия. В 5-10% мравчена киселина същият този клас титан може да се провали с локализирана питинг, неочаквана, бърза атака, която може да пробие стената за няколко месеца, докато обичайната скорост на корозия показва години живот. Наблюдаваното несъответствие се дължи на противоположните ефекти на концентрацията на киселина върху стабилността на пасивния филм, отделянето на водород и образуването на разтворим титанов формиат комплекс. Познаването на този зависим от концентрацията механизъм на отказ позволява на инженера да избере подходящата дебелина на стената и стратегия за проверка за всеки диапазон на концентрация.

Зависимост на механизма на електрохимичния отказ от концентрацията
Low water concentration in concentrated formic acid (>70%) намалява йонната проводимост и така забавя скоростта на електрохимичната корозия. Основният корозионен механизъм е химическото разграждане на пасивното покритие TiO2 от мравчена киселина и последващо равномерно изтъняване. Продуктът на корозията, титановият формиат, е разтворим, но се произвежда с редовно, предвидимо темпо. Пасивният филм не се разрушава локално и остава ненарушен по цялата повърхност.

In dilute formic acid (5-10%) there is enough water to facilitate electrochemical corrosion. The cathodic reaction is hydrogen evolution (2H+ + 2e- ->H2). Атомарният водород се абсорбира в титановата решетка, генерирайки чуплив титанов хидрид (TiHx) по границите на зърната и включванията. Обемът се разширява чрез локално напукване на пасивния филм поради генерирането на хидрид. Оголеният титан на счупените места бързо се разтваря в мравчена киселина. Това е ограничено нападение на отделни места, а не равномерно изтъняване, което е-дълбоко. Скоростите на разпространение на ямите са 10 до 50 пъти по-големи от равномерната скорост на корозия, оценена чрез загуба на тегло.

Измерване на концентрацията на мравчена киселина на скоростта на корозия и начините на повреда
Мравчена киселина (% тегловни) Температура (C) Доминиращ режим на повреда Скорост на корозия (mm/година) Време до перфорация (стена 1,5 mm) Предсказуемост 99% (ледник) 50% Равномерно изтъняване 0.03-0.08 19-50 години Висок (очакван)
99% 100 Равномерно изтъняване 0.15-0.30 5-10 yrsHigh 85% 80 Изтъняване, равномерно 0,10–0.20 7.5–15 години 50% Висока 80Смесено (еднородно + малко ямки) 0.20-0.40 3.8-7.5 години Умерено
20% 80 Доминиращ питинг 0,30-0,60 (ср.) 2,5-5 години (ср.) Ниско (по-ранни открити ями)
10% 80 Силни питинги 0,40 до 0,80 (средно) 1,9 до 3,8 години (средно) Много ниско (питинги за < 1 година)
5% 80 Тежък питинг 0,50-1,00 (средно) 1,5-3 години (средно) Много нисък (питинг на 6-12 месеца)
1% 80 Водородна крехкост + питинг 0.20 - 0.503–7,5 години непредвидимо
Показано е, че критичната концентрация на преход е около 15-25 % мравчена киселина. За стойности над 25% равномерното изтъняване доминира и скоростите на корозия се подчиняват на предсказуемата връзка на Арениус с температурата. Под 15% питинг преобладава и средната скорост на корозия е лош прогнозен показател за действителния експлоатационен живот, тъй като една вдлъбнатина може да перфорира стената, докато околният метал остава почти незасегнат.

Ръководство, основано на сценарии, за избор на концентрация на мравчена киселина
Концентрация на мравчена киселина и температура Изискване за инспекция на титан клас 2 Стратегия за пригодност
85–99%, < 80 градуса Отлична стандартна стена (1,5 mm). Изчисляване на допустимата корозия с еднаква скорост. Достатъчна е годишна проверка на дебелината.
Приемлива увеличена стена (2,0–2,5 mm) 85–99%, 80–100 градуса Предвидимо равномерно изтъняване. Проверка на дебелината два пъти годишно
50–70%, < 60 градуса Допустими 2,0 mm стена с допустима корозия. Следете за преходни ями. Тримесечно изследване на дебелината и ямите.
20-50%, всякаква температура Маргинално надграждане до степен 7 (Pd-сплав) или увеличаване на стената до 3,0 mmРедовна проверка на ямата (месечно)
5–15%, температура > 40 градуса Лошо Не използвайте Степен 2 Посочете Цирконий или тантал Степен 7. Не е приложимо Степен 2 ще бъде бърза.
< 5% ambientPoor Do not use titanum. Use PTFE lined or Hastalloy C-276 heater.Not relevant.
Инженерни решения за обслужване на разредена мравчена киселина
Има три смекчаващи мерки за намаляване на риска от питинг, когато обслужването с разредена мравчена киселина (5-15%) не може да бъде избегнато и трябва да се използва титан от степен 2. Първият е да се увеличи концентрацията на киселина чрез добавяне на концентрирана мравчена киселина или изпаряване на вода, така че концентрацията да надхвърли 20% и механизмът на повреда да стане равномерно изтъняване. Второто смекчаване е добавянето на окислител (100–200 ppm Fe³⁺ или Cu²⁺) към разтвора, който премества корозионния потенциал в пасивната зона и потиска отделянето на водород, като по този начин намалява производството на хидрид и питинга. Трето смекчаване е да се приложи катоден защитен потенциал от -0,8 V спрямо SCE с жертвен цинков анод, който не позволява на титановия потенциал да достигне областта на отделяне на водород.

Заключение: Мравчена киселина, 5% (разредена) Причинява Концентриран питинг; Равномерно изтъняване
В концентрирана мравчена киселина (85-99%) титанов нагревател се проваля чрез равномерно разреждане. Ниското съдържание на вода ограничава електрохимичната корозия и така осигурява предвидима измерена загуба на метал. В разредената мравчена киселина (5%) има достатъчно вода, за да предизвика еволюция на Н, абсорбция на Н атом, производство на хидрид и локализирано разпадане на пасивен филм, което води до бърз, непредсказуем питинг. Критичната преходна концентрация е в диапазона 15-25 %. Над 25% последователно изтъняване доминира, а титанът от клас 2 осигурява достатъчен експлоатационен живот с адекватна устойчивост на корозия. Степен 2 не се препоръчва, когато питингът е под 15%. Когато определя титанов нагревател за мравчена киселина, доставчикът се нуждае от точната концентрация на киселина, за да предвиди правилно режимите на повреда и да изчисли корозионното допустимо (за концентрирана киселина) или да предложи подобрение на материала (за разредена киселина).