Quando si utilizza un riscaldatore a guaina in titanio per far bollire una soluzione di tartrato di sodio al 5% a 103 gradi, perché gli ioni tartrato complessiano gli ioni di titanio e prevengono la ripassivazione, portando a una corrosione uniforme di 0,2 mm all'anno?
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Lo ione tartrato (C4H4O6 2-) è un potente agente chelante per il titanio in tartrato di sodio al 5% a 103 gradi (ebollizione). Il tartrato crea complessi solubili di titanio-tartrato: Ti⁴⁺ + 3C₄H₄O₆²⁻ → [Ti(C₄H₄O₆)₃]⁴⁻ A differenza del cloruro o del fluoruro, che causano vaiolature. Questa complessazione elimina gli ioni Ti 4+ dalla superficie man mano che vengono generati e impedisce anche la creazione di uno strato passivo stabile. Senza il rivestimento protettivo il titanio si corrode uniformemente a 0,15-0,25 mm/anno senza vaiolature localizzate. Dopo la fase transitoria iniziale la velocità di corrosione è indipendente dal tempo.
Il meccanismo della corrosione uniforme del tartrato
Gli ioni tartrato possiedono diversi gruppi idrossilici e carbossilici che formano anelli chelati stabili a cinque-membri con Ti(IV). La costante di formazione del complesso Ti-tartrato è eccezionalmente alta (log K=20). Ciò garantisce che qualsiasi Ti 4+ liberato dalla superficie metallica venga prontamente complessato e rimosso in soluzione. Solo a concentrazioni locali molto elevate di Ti⁴⁺ viene superato il prodotto di solubilità di TiO₂ e quindi la pellicola passiva non può formarsi. La corrosione procede per dissoluzione diretta del metallo: Ti → Ti4+ + 4e- e complessazione rapida. Il processo è coerente poiché non esiste alcuna pellicola passiva da scomporre localmente.
Velocità di corrosione quantitativa rispetto alla concentrazione di tartrato
Quanto segue è stato stabilito per il titanio di grado 2 sottoposto a test controllati per 500 ore in soluzioni di tartrato di sodio bollente (103 gradi ). Tasso di corrosione 0,005-0,010 mm all'anno Meccanismo superficiale brillante Passivo 0% tartrato (acqua pulita) All'1% di tartrato, il tasso è 0,03–0,06 mm/anno, la superficie è leggermente incisa e il meccanismo è misto. Al 3% di tartrato, la velocità è di 0,08–0,15 mm/anno, la superficie è mordenzata uniformemente e la complessazione è il processo dominante. Al 5% di tartrato, la velocità è di 0,15–0,25 mm/anno, la superficie è omogenea e opaca e il processo è dominato dalla complessazione. Il tasso di tartrato al 10% è di 0,2–0,35 mm all'anno, la superficie è uniformemente opaca e il meccanismo è una grave complessazione.
Dipendenza dal pH e dalla temperatura della velocità di complessazione
La velocità di complessazione e la velocità di corrosione dipendono dal pH e dalla temperatura. A 60 gradi, pH 7 con il 5% di tartrato, il tasso di corrosione è di 0,04-0,08 mm/anno. La velocità è di 0,08-0,15 mm/anno a 80 gradi e pH 7. A 100 gradi, pH 7, la velocità è di 0,15-0,25 mm/anno. 0.10-0.18 mm/anno a 100 gradi e pH 9 (il pH più alto diminuisce la corrosione). A 100 gradi e pH 5, la velocità è di 0,20-0,35 mm/anno (il pH più basso accelera la corrosione). L'energia di attivazione è ~50kJ/mol.
Riscaldatori al titanio - Una guida alla concentrazione di tartrato e al controllo del pH
La tabella seguente fornisce raccomandazioni sui riscaldatori in titanio di grado 2 e grado 7 che funzionano con soluzioni di tartrato di sodio.
Concentrazione Tartrato di sodio (%) Temperatura (gradi) Tasso di corrosione (mm/anno) pH Grado 2Grado 7 Tasso di corrosione (mm/anno)<1 100 7 0.03–0.06 0.02–0.04 Acceptable Recommendation 1–3 80 7 0.05–0.10 0.03–0.06 Acceptable 1–3 3–5 80 7 0.08–0.15 0.05–0.10 Use Grade 7 Recommendation 3–5 100 7 0.15–0.25 0.10–0.18 Use Grade 7 plus thick wall Recommendation
5–10 100 9 0.10–0.18 0.06–0.12 Increase pH >10 Any Any >0.20 >0,12 Non consigliato Altri strumenti tecnici oltre al controllo della concentrazione di tartrato
La velocità di complessazione dipende dalla qualità del titanio. I tassi di corrosione del Grado 7 (stabilizzato con palladio) sono inferiori del 30–50% rispetto a quelli del Grado 2 nelle soluzioni tartrate, poiché il palladio aiuta a mantenere un sottile film passivo anche in presenza di condizioni complessanti. Il grado 12 è un livello intermedio di miglioramento. Lo spessore della parete fornisce una tolleranza alla corrosione; una parete di 2,0 mm durerà 13 anni con una corrosione uniforme di 0,15 mm all'anno. La lucidatura della superficie ha scarso effetto sulla corrosione uniforme. La velocità di corrosione viene ridotta del 30–40% aggiungendo idrossido di sodio per aumentare il pH a 9. Quando la temperatura viene ridotta da 100 gradi a 80 gradi, la velocità viene ridotta del 50%.
Fornire una specifica informata
Per scaldaguaina in titanio in tartrato di sodio al 5% a 103 gradi. La corrosione uniforme è il processo principale. Utilizzare titanio di grado 7 per ridurre al minimo il tasso di corrosione da 0,10 a 0,18 mm/anno. Utilizzare uno spessore della parete di 2,0 mm per una durata di servizio compresa tra 10 e 15 anni. Se possibile, regolare il pH a 9 utilizzando idrossido di sodio o abbassare la temperatura a 80 gradi. Durante il funzionamento, lo spessore delle pareti del riscaldatore deve essere controllato annualmente mediante misuratori a ultrasuoni; quando lo spessore della parete raggiunge 0,5 mm, il riscaldatore deve essere sostituito. L'ingegnere comprende che gli ioni tartrato si uniscono agli ioni titanio e inibiscono la ripassivazione, determinando una corrosione uniforme e prevedibile. L'ingegnere sceglie la qualità e lo spessore della parete corretti del prodotto.
