لماذا يزيد معدل امتصاص الهيدروجين لسخان الغمر المصنوع من التيتانيوم بشكل كبير عندما تتجاوز إمكانات الحماية الكاثودية -0.7 فولت مقابل Ag/AgCl؟

يعتبر التيتانيوم عدوانيًا جدًا لحمض الكبريتيك عند درجات الحرارة المرتفعة. يُسمح فقط بالتيتانيوم من الدرجة 2 بنسبة أقل من حوالي 10% من حمض الكبريتيك عند 80 درجة أو أقل من 50% من حمض الكبريتيك في درجة الحرارة المحيطة. يهاجم حمض الكبريتيك المخفف بسرعة بشكل موحد أو يخلق تأليبًا عند درجات حرارة أعلى من 80 درجة. ومع ذلك، فإن العديد من التيارات الصناعية لحمض الكبريتيك تحتوي على أيونات معدنية مذابة مشتقة من أنشطة الترشيح أو التخليل أو الاستخلاص الكهربائي. توجد أيونات النحاس (Cu²⁺) بشكل متكرر في عمليات حفر المعادن المائية وحفر لوحات الدوائر المطبوعة. أيونات النحاس لها تأثير واضح على سلوك التآكل للتيتانيوم في حامض الكبريتيك الساخن. تتغير عملية الضرر من التخفيف الموحد إلى الهجوم شديد الاستهداف. تعد معرفة هذا التغيير أمرًا أساسيًا لتقدير عمر السخان ومنع حدوث ثقب غير متوقع.

آلية تعديل أيونات النحاس لتآكل التيتانيوم

يخضع التيتانيوم إلى ذوبان نشط في حمض الكبريتيك النقي: Ti → Ti⁴⁺ + 4e⁻، والعملية الكاثودية هي تطور الهيدروجين. يتم التحكم في معدل التآكل من خلال معدل تطور الهيدروجين على سطح التيتانيوم. مع وجود أيونات النحاس، من الممكن حدوث تفاعل كاثودي آخر: Cu 2+ + 2e- > Cu 0 (ألواح معدنية من النحاس على سطح التيتانيوم). يتمتع تفاعل ترسيب النحاس بكثافة تيار تبادل أكبر بكثير من عملية تطور الهيدروجين، وبالتالي يزيد من معدل التفاعل الكاثودي. في هذه الحالة يوجد زوج كلفاني بين النحاس المترسب (الكاثود) والتيتانيوم المكشوف (الأنود). تتشكل الخلايا الجلفانية الموضعية في جزر النحاس ويحدث الذوبان الأنودي السريع للتيتانيوم بالقرب من رواسب النحاس. يتطور شكل التآكل من خشونة موحدة للسطح إلى أنفاق ضيقة عميقة تحيط بكل جسيم نحاسي.

التغيرات الكمية في معدل التآكل والتشكل

أظهرت اختبارات الغمر الخاضعة للرقابة في 15% H₂SO₄ عند 85 درجة العلاقات التالية للتيتانيوم من الدرجة 2:

حمض الكبريتيك النقي (بدون نحاس): معدل تآكل موحد، 0.8 مم/عام يظهر السطح خشونة واسعة النطاق بحد أقصى. عمق الحفرة يعادل تقريبًا متوسط ​​الاختراق. مناسب للاستخدام على المدى القصير-مع الأنابيب ذات الجدران السميكة-.

إضافة النحاس 10 جزء في المليون: معدل التآكل 1.5 ملم/سنة، على الرغم من الاعتداء الموضعي. يصل عمق الحفرة إلى 2.0 مم بينما يكون التخفيف النموذجي أقل من 0.5 مم. يحدث الانثقاب عبر الحفر. تحافظ غالبية الأنبوب على سمك الجدار الأصلي.

مادة مضافة للنحاس 50 جزء في المليون: متوسط ​​معدل التآكل 2.5 مم/سنة الحد الأقصى لعمق الحفرة 4.0 مم. البقع البنية المحمرة-الموجودة على سطح التيتانيوم هي عبارة عن رواسب من النحاس. تخترق الحفر 4-6 أشهر بسمك جدار 1.0 مم.

إضافة النحاس 200 جزء في المليون: متوسط ​​معدل التآكل 4.0 ملم/سنة. الحد الأقصى لعمق الحفرة أكثر من 6.0 ملم. الهجوم السريع على اللحامات والشقوق. يؤدي الانثقاب الموضعي إلى فشل الأنبوب بينما يكون 70-80% من السطح غير تالف نسبيًا.

إضافة النحاس فوق 500 جزء في المليون يشكل الطلاء النحاسي السريع طبقة مستمرة من النحاس على التيتانيوم. تم العثور على أن التيتانيوم الموجود أسفله يؤدي إلى تآكل واجهة التيتانيوم النحاسية- بشكل موحد، مما يؤدي إلى فقدان الالتصاق وتقشر النحاس. تذوب صفيحة النحاس والتيتانيوم في عدة طبقات في عملية دورية.

مورفولوجية التآكل اعتمادا على تركيز النحاس

يقدم الجدول التالي تصنيفًا لشكل التآكل ونصائح تصميمية لسخانات التيتانيوم في النحاس-وحمض الكبريتيك الملوث.

تركيز أيونات النحاس (جزء في المليون) في مورفولوجيا التآكل السائدة H2SO4 معدل الاختراق الفعال (مم / سنة عند 85 درجة، 15٪ H2SO4) استجابة التصميم الموصى بها
0-5 (الخلفية) ترقق موحد 0.6-0.9 درجة 2 مع تحمل سمك الجدار (الحد الأدنى . 1.5 مم)
30-5 حفر موضعية مع جزر نحاسية معزولة 2.5-1.5 زيادة سمك الجدار إلى 2.0 ملم. تحقق سنويًا من وجود الحفر.
30–100 حفر الخنادق العميقة حول رواسب النحاس 3.0–5.0 (موضعي) خذ بعين الاعتبار التيتانيوم من الدرجة السابعة. - قم بإجراء قياسات ربع سنوية لعمق الحفرة.
100–500 Accelerated galvanic couple corrosion 4.0–8.0 (severe localization) Grade 7. Reduce operating temperature to max 75°C.500 Cyclic copper plating with titanium dissolution >10.0 استخدم سخانًا مبطنًا بالزركونيوم أو التيفلون-بدلاً من التيتانيوم.
تفاعلات درجة الحرارة وتركيز الحمض

Effect of copper ion is increased with temperature and sulfuric acid concentration. At 80°C 50 ppm copper doubles the corrosion rate of the pure acid. At 95 °C the same copper concentration increases the corrosion rate by 5–6 times compared with pure acid at the same temperature. High quantities of sulfuric acid (>30٪ يقلل من ذوبان كبريتات النحاس، مما يؤدي إلى ترسيب النحاس مباشرة على سطح التيتانيوم بدلا من الأيونات الذائبة. يؤدي التلوث بالنحاس إلى فشل سريع وكارثي خلال أسابيع في الأحماض المركزة (60-80% H2SO4). من ناحية أخرى، عند درجات حرارة أقل من 60 درجة، يكون تفاعل ترسيب النحاس محدودًا حركيًا وحتى 500 جزء في المليون من النحاس يسبب تسارعًا ضئيلًا للتآكل.

كتابة مواصفات مستنيرة

If you specify a titanium heater for use with sulfuric acid, you must request a thorough study of the dissolved metal ions, not just acid concentration and temperature. Where copper levels are in excess of 30 ppm state Grade 7 titanium (palladium stabilized). The inclusion of palladium raises the titanium surface potential, making it more noble and reducing the driving force for copper deposition. Grade 7 at 50 ppm copper at 85°C corrodes at around 0.6 mm per year with just moderate pitting. This is similar to Grade 2 in pure acid. For copper concentrations >200 جزء في المليون، ينبغي النظر في مواد تسخين بديلة (على سبيل المثال، الزركونيوم، الذي لا يشكل زوجًا كلفانيًا مع النحاس المترسب). راقب سائل العملية أثناء التشغيل بحثًا عن طفرات في تركيز النحاس. ولكن الارتفاع العابر من 50 جزء في المليون إلى 500 جزء في المليون لمدة 24 ساعة قد يؤدي إلى التنقر الذي يستمر في الانتشار بعد عودة مستويات النحاس إلى وضعها الطبيعي. إذا كان النحاس مرئيًا على المدفأة، فأوقف تشغيل الوحدة واشطف سطح الأنبوب بحمض النيتريك المخفف (5% HNO₃) لإزالة النحاس، وأعد تشغيل الوحدة. يناقش المهندس تعديل أيون النحاس في شكل التآكل لتجنب الفكرة الخطيرة القائلة بأن تركيز الحمض وحده يؤثر على توافق التيتانيوم.