Karsējot fosforskābi (30-50%) 100 grādos, kāpēc izšķīdušās dzelzs piesārņojums paātrina titāna koroziju, pārsniedzot pieļaujamos ātrumus?

Titāna sildīšanas iekārtas fosforskābes servisā uzrāda pretrunīgu darbību. Titāna 2. pakāpe ķīmiski tīrā 30-50% fosforskābē 100 grādu temperatūrā ir zems korozijas ātrums 0,05-0,10 mm gadā, kas ir pieļaujamās robežās sildītāja caurulēm. Tomēr rūpnieciskā slapjā procesa fosforskābe (WPA), kas iegūta, pārstrādājot fosfātu iežu, satur daudz piemaisījumu, un izšķīdušajai dzelzsi (Fe2+ un Fe3+) ​​ir vispostošākā ietekme uz titāna izturību pret koroziju. Pat 0,5% dzelzs piesārņojums var palielināt titāna korozijas ātrumu par 10 līdz 50, izraisot caurules perforāciju mēnešos, nevis gados. Šajā rakstā ir aprakstīts dzelzs izraisītas paātrinātas korozijas elektroķīmiskais mehānisms un noteiktas drošas dzelzs satura robežas titāna sildītāju darbībai.

Korozijas paātrināšanas mehānisms caur dzelzi
Pasīvā plēve uz titāna fosforskābē galvenokārt sastāv no TiO 2 ar integrētām fosfātu sugām. Filma ir stabila starp dažādiem elektroķīmiskiem potenciāliem. Izšķīdušie dzelzs joni, galvenokārt Fe³⁺, ir redoksveida atspoles, kas titāna virsmā pārvietojas starp Fe³⁺ un Fe²⁺. Katrs Fe³⁺ jons, kas saskaras ar virsmu, paņem elektronu no titāna (reducējoties līdz Fe²⁺), pēc tam izkliedējas un ar izšķīdušo skābekli tiek atkārtoti oksidēts par Fe³⁺. Šis pastāvīgais redokscikls veiksmīgi pārnes elektronus no titāna metāla uz lielapjoma šķīdumu, tādējādi apejot aizsargājošo pasīvo pārklājumu.

Elektroķīmiskie mērījumi parāda šī efekta lielumu. Titāna 2. pakāpes korozijas potenciāls tīrā 40% H₃PO₄ 100 grādu leņķī stabilizējas starp +150 un +250 mV pret SCE ar pasīvo strāvas blīvumu 5 µA/cm². 0,5% Fe3+ (dzelzs fosfāta veidā) pievienošana palielina korozijas potenciālu līdz +400 līdz +550 mV salīdzinājumā ar SCE un palielina pasīvās strāvas blīvumu līdz 50-100 µA/cm2. Pie 1,0% dzelzs strāvas blīvums ir 200-300 µA/cm 2 un atbilst korozijas ātrumam 0,5-0,8 mm gadā. Ja dzelzs saturs ir 2,0%, likmes ir lielākas par 1,5 mm gadā.

**Sildītāja ekspluatācijas kritiskais dzelzs ierobežojums**
Ilgtermiņa-titāna iedarbības tests ar 2. pakāpes titānu fosforskābē 100 grādu temperatūrā atklāj praktisku dzelzs ierobežojumu. Ja izšķīdināta dzelzs ir mazāka par 0,2%, korozijas ātrums ir mazāks par 0,10 mm/gadā, kas ir pietiekams 10 gadu sildītāja kalpošanas laikam ar 1,5 mm sieniņu biezumu. Likmes ir 0,15–0,30 mm/gadā pie 0,2–0,5% dzelzs, kas samazinātu paredzamo kalpošanas laiku līdz 3–5 gadiem ar tipisku sienu biezumu. Korozijas līmenis, kas pārsniedz 0,5% dzelzs, ir pārāk augsts (vairāk nekā 0,5 mm gadā) un ir saistīts ar lokālu punktveida veidošanos, kas veicina papildu metāla zudumus.

Slapjā -procesa fosforskābe parasti satur 0,8–1,5% izšķīdušas dzelzs no fosfātu iežu piemaisījumiem. WPA iztvaicētājos un koncentratoros tiek izmantoti titāna sildītāji, kas ātri korozējas, ja netiek veikta priekšapstrāde pret atdzelžošanu vai jaunināšana uz izturīgāku titāna sakausējumu. 7. pakāpes titāns (Ti-0,15Pd) uzlabo dzelzs toleranci, ar ātrumu zem 0,15 mm gadā, ja dzelzs saturs ir 0,8%, taču pat 7. pakāpes dzelzs līmenis ir mazāks par 1,2%.

Pielietojuma matrica un mazināšanas stratēģijas
Fosforskābes avotsTipisks dzelzs saturs Ieteicamais sildītāja materiāls Paredzamais korozijas ātrums kalpošanas laiks (1,65 mm siena)
Attīrīts (termiskais process) 2. pakāpes titāns<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) Mainīgs cirkonijs vai tantals N/A Titāns nav ieteicams
Fosforskābes sildītāja specifikāciju kopsavilkums
Izšķīdušā dzelzs piesārņojums vairāk nekā 0,2% fosforskābē 100 grādu temperatūrā veicina titāna koroziju ar redoksciklēšanas mehānismu, kas apiet pasīvās plēves sniegto aizsardzību. Slapjā procesā izmantotai skābei ar tipisku dzelzs saturu no 0,8 līdz 1,5 % 2. pakāpes titāna sildītāji sabojāsies 2 līdz 3 gadu laikā. Inženieri saskaras ar izvēli norādīt 7. pakāpes titānu (kas palielina dzelzs toleranci līdz aptuveni 0,8%) vai pievienot dzelzs noņemšanas posmus (šķīdinātāja ekstrakcija, jonu apmaiņa) pirms sildītāja. Pērkot titāna sildītājus fosforskābes apkalpošanai, vienmēr pieprasiet korozijas testa kuponu, kas ir pakļauts faktiskajai procesa skābei, un pieprasiet minimālo sieniņu biezumu 2,0 mm 2. klasei vai 1,65 mm 7. pakāpei dzelzs nesošajā skābē.