Kuidas vase ioonide (100 ppm) olemasolu soojas gaseeritud väävelhappe lahuses (10%) kiirendab titaanküttetoru galvaanilist korrosiooni keevisliidete juures?

Põhilised kompromissid-titaanist küttekeha konstruktsioonis vasega saastunud väävelhappe jaoks
Tihti kasutatakse 60–80-kraadist lahjendatud väävelhapet (10% H 2 SO 4 ) vase elektrotehniliselt puhastamisel, vasesulamite peitsimisel ja soojusvaheti keemilisel puhastamisel. Titaan on üldiselt passiivne 10% H2SO4-s alla 80 kraadi ja korrosioonikiirus on 0,01–0,05 mm/aastas stabiilse titaandioksiidkatte tootmise tõttu. Kuid lahustunud Cu2+ ioonide olemasolu nii madalal tasemel kui 100 ppm muudab korrosiooni elektrokeemiat põhjalikult. Vase ioonid toimivad tõhusa katooddepolarisaatorina, muutudes titaani pinnal metalliliseks vaseks (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰), tekitades poorse vasesademe. See vasesade moodustab selle all oleva titaaniga galvaanilise paari, kus titaan toimib anoodina ja vask vääriskatoodina. Keevisliidete korral on titaani mikrostruktuur kuummõjutsooni (HAZ) tõttu heterogeenne ja galvaaniline efekt on fokuseeritud, põhjustades suurenenud lokaalset rünnakut. Titaanist küttetoru seina paksus määrab, kui palju materjali on lokaalsele korrosioonile vastupidavaks, kuid põhinähtus on elektrokeemiline ja seda ei saa eemaldada lihtsalt seina paksendades. See töö mõõdab galvaanilist kiirendustegurit vase ioonide tõttu ja selgitab keevisliidete ebaproportsionaalset riket vasega saastunud väävelhappes.

Mõju mehaanilisele terviklikkusele: galvaaniline mehhanism ja keevisõmbluse mikrostruktuur
10% H₂SO₄-s 70 kraadi juures ilma vaseoonideta on 2. klassi titaanil korrosioonipotentsiaal umbes +0.1 V vs. SHE (standardne vesinikelektrood) ja passiivne kile säilib. Cu 2+ katoodne redutseerimine Cu 0-ks toimub eelistatavalt titaani pinnal Cu 2+ ioonide juuresolekul, misjärel sadestatakse õhuke (1–5 µm) vaskkate mõne tunni jooksul pärast sukeldamist. Vasesade toimib katoodina ja tõstab titaani korrosioonipotentsiaali umbes +0.3 V-ni vs. SHE, mis on suurem kui passiivpotentsiaal. Vasesade ei ole aga pidev ja kleepub korralikult. Galvaanilised rakud tekivad vasekihi defektide (nt keevisõmbluste, kriimustuste või kandekohtade) kohas, kus avatud titaan on ümbritseva vase suhtes anoodiline. Galvaanilise voolu tihedus anoodil on passiivse voolutihedusega võrreldes 100-500 mikroA/cm^2<1 microA/cm^2 in copper free acid. This current corresponds to a titanium dissolving rate of 0.5 to 2.5 mm per year at the anode sites. Welded joints are especially sensitive, because the HAZ has a distinct grain structure and may contain secondary phases (for example, beta phase stabilized by iron impurities) that are more active than the base metal. Weld reinforcement (extra weld metal) also forms a fissure like shape that retains copper deposits and prevents their removal by fluid flow. The galvanic acceleration and the microstructural heterogeneity generate preferential attack at the weld toe, which then propagates inwards. At a weld flaw a local corrosion rate of 1.5 mm per year would penetrate a wall of 1.2 mm in 9-10 months, although the base metal would remain largely unattacked.

Mõju soojuslikule jõudlusele: galvaanilise kineetika temperatuurikiirendus
Sadestatud vase ja titaani vahelise galvaanilise korrosiooni kiirus on Arrhenius, mille aktivatsioonienergia on umbes 30–40 kJ/mol. Temperatuuri tõus 60 kraadilt 80 kraadile toob kaasa galvaanilise voolutiheduse tõusu 2,5–3,0 korda. Titaanküttekeha puhul, mis töötab võimsustihedusega 2,5 W/cm2, on ümbrise pinna temperatuur tavaliselt 5–12 C kõrgem kui happe temperatuur, sõltuvalt seina paksusest. 1,0 mm seina puhul 70-kraadises puistehappes on pinnatemperatuur umbes 76 kraadi ja 1,6 mm seina puhul umbes 80 kraadi. See 4-kraadine erinevus tõstab galvaanilise korrosiooni kiirust ligikaudu 30% ja tühistab osaliselt paksema seina pakutava suurenenud korrosioonivaru. Veelgi olulisem on see, et vase sadestumisreaktsioon ise sõltub temperatuurist. Kõrgemad pinnatemperatuurid suurendavad Cu 2+ vähenemise kiirust, mille tulemuseks on paksemad ja kompaktsemad vasesademed. Need paksemad ladestused tagavad suuremad katoodpinnad, suurendades seega anoodi ja katoodi pindala suhet ning suurendades galvaanilist voolu veelgi. Elektrokeemilise impedantsi spektroskoopia katsed näitavad, et galvaanilise voolu tihedus pinnatemperatuuril 80 °C on 1,5 korda suurem kui temperatuuril 70 °C, arvestades sama vase kontsentratsiooni. Seetõttu võib kõrgem temperatuur, mille juures paksem sein töötab, põhjustada keevisõmbluses suuremat korrosioonikiirust, muutes lisamaterjalist saadava kasu olematuks.

Kompromiss{0}}süntees: galvaanilise korrosiooni määrad keevisliidetes
Järgmine maatriks näitab galvaanilise korrosiooni andmeid 2. klassi titaanist keevitatud torude kohta 10% H2SO4 lahuses 100 ppm Cu2+ (CuSO4-na) 70 kraadise puistetemperatuuri juures, võimsustihedusega 2,5 W/cm2. Korrosioonimäärad saadakse keevisõmbluse kuumusest mõjutatud tsoonis (HAZ), mis on galvaanilisele rünnakule kõige vastuvõtlikum piirkond.

Seina paksus (mm) Välispinna temp ( kraad ) Galvaanilise korrosiooni määr keevisõmbluses HAZ (mm/aastas) Aeg perforatsioonini keevisõmbluses (kuud) Mitteväärismetalli korrosioonikiirus (mm/aastas) Rikke asukoht 0,9 mm 75 kraadi 1,8 mm/aastas 6 kuud 0,10 kraadi kuni 1 mm/aastas Weld 1 kuni mm1 aastas. mm/aastas 7 kuud 0,10 mm/aastas Keevisvarba perforatsioon 1,3 mm 78 kraadi 2,1 mm/aastas 7,5 kuud 0,12 mm/aastas Keevisvarba perforatsioon
1,5 mm 79o C 2,2 mm/aastas 8 kuud 0,12 mm/aastas Keevisvarba perforatsioon
1,8 mm 81 kraadi 2,5 mm/aastas 8,5 kuud 0,15 mm aastas Keevisõmbluse perforatsioon 2,0 mm (õmblusteta, keevisõmbluseta) 82 kraadi Mitterakendatav (ilma keevisõmbluseta) > 5 aastat (ainult mitteväärismetall) 0,18 mm/aastas Ainult ühtlane hõrenemine
Andmed näitavad, et rikke asukoha ja ajastuse esinemine sõltub keevisliitmiku olemasolust, mitte seina paksusest. Kõik keevitatud torud seinapaksusega 0,9–2,0 mm purunevad keevisõmbluses HAZ 6–9 kuu jooksul vasesademetest tuleneva galvaanilise kiirenduse tõttu. Samast titaanklassist õmblusteta toru (ilma keevitatud ristmikuta) näitab aga ainult ühtlast korrosiooni 0,15–0,18 mm/aastas ja 2,0 mm seinaga on selle eluiga 5+ aastat. Perforatsiooniaja pikenemine seina paksuse suurenemisega 6 kuult 8,5 kuule on liiga tagasihoidlik, et kompenseerida paksemaid seinu. Peamine probleem on keevisõmblus, mitte seina paksus.

Väljaspool seina ehitus: vase eemaldamine ja keevisõmbluste eemaldamine
Galvaaniline kiirendusmehhanism on lokaliseeritud keevisliidetele, seega on kõige tõhusamad vastumeetmed need, mis eemaldavad keevisõmbluse või takistavad vase sadestumist. Esiteks saab tundliku HAZ-i täielikult kõrvaldada, kasutades õmblusteta titaantorusid (tõmmatud, ilma pikisuunaliste keevisõmblusteta) ja kasutades keevitatud otsakatete asemel ääriku- või keermestatud pistikuid. Õmblusteta torudes jaotub ühtlane galvaaniline vool üle kogu pinna ja korrosioonikiirus on tagasihoidlik (0,15-0,20 mm/aastas). 1,2 mm paksune õmblusteta vasktoru peab saastunud väävelhappes vastu 5–6 aastat. Teiseks lahustatakse vasesade enne galvaanilise elemendi ehitamist perioodilise vase eemaldamise teel, sukeldades küttekeha 30 minutiks 50-kraadisesse 5% lämmastikhappesse iga 2–4 ​​nädala järel. Isegi keevitatud küttekehad võivad puhastusprogrammiga vastu pidada 2-3 aastat, kuna ennetav tsükkel katkestab pideva galvaanilise rünnaku. Kolmandaks põhjustab korrosiooniinhibiitori, näiteks bensotriasooli (BTA, 10–50 ppm) lisamine vasesademetele kaitsekatte moodustumist, mis passiveerib katoodpinna ja vähendab galvaanilist voolu 80–90%. "BTA-d kasutatakse laialdaselt vase töötlemisel ja see ühildub väävelhappega. Vase elektroonikapuhastusoperatsioonide välitulemused näitavad, et 20 ppm BTA vähendab keevisõmbluse HAZ-i korrosioonikiirust 2,0 mm-lt aastas 0,3 mm-ni aastas, pikendades keevitatud küttekeha eluiga 6 kuult üle 3 aasta.

Järeldus: seina paksus ei ole lahendus, keevisõmbluste kõrvaldamine või vasekontroll
Titaanküttetoru galvaaniline korrosioonikiirendus soojas aereeritud 10% väävelhappe lahuses 100 ppm vase ioonidega lokaliseerub keevisliitekohtades, kus vasesademed moodustavad galvaanilise elemendi, mille tulemuseks on lokaalsed ründekiirused 1,8–2,5 mm aastas. Seina paksuse suurendamine 0,9 mm-lt 2,0 mm-le pikendab ainult keevisõmbluse perforatsioonini kuluvat aega 6 kuult 8,5 kuuni, mis on väike kasu, mis ei õigusta täiendavat materjalikulu ega termilist trahvi. Põhiline lähenemine on kas keevitatud ühenduskoht täielikult eemaldada, kasutades õmblusteta titaantorusid, mille kasutusiga on 1,2 mm seinapaksusega 5+ aastat, või juhtida vase sadestumist perioodilise happepuhastuse või bensotriasooli inhibiitori lisamisega. Vasega saastunud väävelhappe määramisel ei ole oluline spetsifikatsioon mitte paksem sein, vaid vajadus õmblusteta konstruktsiooni järele (ASTM B861, õmblusteta klass) ja soovitatav puhastusrežiim või inhibiitori lisamine. Keevitatud küttekeha keevisõmblus ebaõnnestub ühe aasta jooksul, olenemata seina paksusest. 1,2 mm tavalise seinaga õmblusteta küttekeha on parem kui mis tahes seinapaksusega keevitatud kütteseade. Teavitage tootjat vase ioonide eeldatavast kontsentratsioonist (ppm) ja perioodilise puhastamise võimalusest. Küsige kinnitust, et küttekehal on õmblusteta torud, millel ei ole piki- ega ümbermõõtu keevisõmblusi.