Hvernig flýtir tilvist koparjóna (100 ppm) í heitri, loftblandðri brennisteinssýrulausn (10%) galvanískri tæringu títanhitunarrörs við soðnar samskeyti?

Grunnviðskipti- í hönnun títanhitara fyrir koparmengaða brennisteinssýru
Þynnt brennisteinssýra (10% H 2 SO 4 ) við 60–80 gráður er oft notuð við rafvinnslu kopar, súrsun á koparblendi og efnahreinsun á varmaskipti. Títan er almennt óvirkt í 10% H2SO4 undir 80 gráðum með tæringarhraða 0,01–0,05 mm/ár vegna framleiðslu á stöðugri títantvíoxíðhúð. Hins vegar breytir tilvist uppleystra Cu2+ jóna í magni allt að 100 ppm tæringarrafefnafræðinni verulega. Koparjónir virka sem áhrifaríkur kaþódísk afskautun, sem er umbreytt í málmkopar (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰) á yfirborði títan, sem myndar gljúpa koparútfellingu. Þessi koparútfelling myndar galvanískt par með undirliggjandi títan, þar sem títan virkar sem rafskaut og kopar sem göfugt bakskaut. Við soðnar samskeyti er títanörbyggingin ólík vegna hitaáhrifasvæðisins (HAZ) og galvanísk áhrif eru einbeitt, sem veldur aukinni staðbundinni árás. Veggþykkt títan hitarörsins ræður því hversu mikið efni er til að standast þessa staðbundnu tæringu, en grunnfyrirbærið er rafefnafræðilegt og er ekki hægt að fjarlægja það með því einfaldlega að þykkna vegginn. Þessi vinna mælir galvaníska hröðunarstuðulinn vegna koparjóna og skýrir óhóflega bilun á soðnum samskeytum í koparmengaðri brennisteinssýru.

Áhrif á vélrænni heilleika: Galvanísk vélbúnaður og suðuörbygging
Í 10% H₂SO₄ við 70 gráður án koparjóna hefur títan af gráðu 2 tæringargetu upp á um +0.1 V á móti SHE (Standard Hydrogen Electrode) og óvirka filman er viðhaldið. Kaþódísk lækkun Cu 2+ í Cu 0 á sér helst stað á yfirborði títan í nærveru Cu 2+ jóna, þar sem þunn (1–5 µm) koparhúð er sett á nokkrum klukkustundum eftir niðurdýfingu. Koparútfellingin þjónar sem bakskaut og hækkar tæringargetu títansins í um það bil +0.3 V á móti SHE, göfugri en óvirki möguleikinn. Koparútfellingin er hins vegar ekki samfelld og festist rétt. Galvanískar frumur verða til við galla í koparlaginu (td suðutær, rispur eða innfellingar) þar sem óvarið títan er anódískt við nærliggjandi kopar. Galvanískur straumþéttleiki á rafskautinu er 100-500 míkróA/cm^2 miðað við óvirkan straumþéttleika<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.

Hitaafköst áhrif: Galvanic Kinetics Hitastigshröðun
Hraði galvanískrar tæringar á milli útsetts kopars og títan er Arrhenius með virkjunarorku um 30-40 kJ/mól. Hækkun hitastigs úr 60 gráðum í 80 gráður leiðir til hækkunar á galvanískum straumþéttleika um stuðulinn 2,5–3,0. Fyrir títan hitara sem keyrir á aflþéttleikanum 2,5 W/cm2 er yfirborðshiti slíðunnar venjulega 5-12 C yfir magnsýruhitastiginu, allt eftir veggþykkt. Fyrir 1,0 mm vegg í 70 gráðu magnsýru er yfirborðshiti um 76 gráður og fyrir 1,6 mm vegg er það um 80 gráður. Þessi 4 gráðu munur hækkar galvaníska tæringarhraðann um u.þ.b. 30% og dregur úr aukinni tæringarheimild sem þykkari veggurinn býður upp á. Meira um vert er að koparútfellingin sjálf er háð hitastigi. Hærra yfirborðshitastig eykur Cu 2+ lækkunarhraðann sem leiðir til þykkari og þéttari koparútfellinga. Þessar þykkari útfellingar veita stærri bakskautsfleti og auka þannig hlutfall rafskauts og bakskautsflatar og knýja galvaníska strauma enn hærra. Rafefnafræðilega viðnám litrófsrannsóknir sýna að galvanísk straumþéttleiki við 80{\\deg}C yfirborðshitastig er 1,5 sinnum hærri en við 70{\\deg}C, miðað við sama magn koparstyrks. Því hærra hitastig sem þykkari veggurinn starfar við getur valdið meiri tæringarhraða við suðuna, sem útilokar árangurinn af viðbótarefninu.

Skiptu-af myndun: Galvanísk tæringarhlutfall við soðnar samskeyti
Eftirfarandi fylki sýnir galvanísk tæringargögn fyrir soðin rör úr 2. stigs títan í 10% H2SO4 með 100 ppm Cu2+ (sem CuSO4) við 70 gráðu magn hitastig, aflþéttleiki 2,5 W/cm2. Tæringarhraði fæst á hitaáhrifasvæðinu (HAZ) sem er viðkvæmasta svæðið fyrir galvanískum árásum.

Veggþykkt (mm) Ytra yfirborðshiti ( gráðu ) Galvanísk tæringarhraði í suðu HAZ (mm/ár) Tími að götun við suðu (mánuðir) Tæringarhraði grunnmálms (mm/ár) Bilun Staðsetning 0,9 mm 75 gráður 1,8 mm/ár 6 mánuðir 0,10 mm/ár suðu 1 mm/ár 1 mm gráður/ár 1 mm/ár 6 gráður 1 mm/ár 1 mm/ár 1 mm/ár 1 mm/ár. 0,10 mm/ár Rót á suðu tá 1,3 mm 78 gráður 2,1 mm/ár 7,5 mánuðir 0,12 mm/ár Rof á tá suðu
1,5 mm 79o C 2,2 mm/ári 8 mánuðir 0,12 mm/ári Suðutágat
1,8 mm 81 gráður 2,5 mm/ári 8,5 mánuðir 0,15 mm/ár Rof á tá á suðu 2,0 mm (saumalaus, engin suðu) 82 gráður Á ekki við (engin suðu) > 5 ár (aðeins grunnmálmur) 0,18 mm/ár Einungis jöfn þynning
Gögnin sýna að staðsetning bilunar og tímasetning er háð tilvist soðinna móta en ekki veggþykktar. Öll soðin rör með veggþykkt á milli 0,9 mm og 2,0 mm bila í suðu HAZ innan 6 – 9 mánaða vegna galvanískrar hröðunar frá koparútfellingum. Hins vegar sýnir óaðfinnanlegur rör af sama títanflokki (án soðinna móta) aðeins samræmda tæringu sem nemur 0,15–0,18 mm/ári og með 2,0 mm vegg hefur það 5+ ára líftíma. Aukning á götunartíma með vaxandi veggþykkt úr 6 í 8,5 mánuði er of hófleg til að vega upp á móti þykkari veggjum. Suðan, ekki veggþykktin, er aðal vandamálið.

Verkfræði fyrir utan vegginn: Koparfjarlæging og suðueyðing
Galvanísk hröðunarbúnaður er staðbundinn að soðnum samskeytum, þess vegna eru áhrifaríkustu mótvægisaðgerðirnar þær sem fjarlægja suðuna eða koma í veg fyrir koparútfellingu. Í fyrsta lagi er hægt að útrýma næmum HAZ algjörlega með því að tilgreina óaðfinnanlegar títanrör (teiknaðar, án lengdarsuðu) og með því að nota flans eða snittuð tengi í stað soðinna endaloka. Í óaðfinnanlegum rörum dreifist einsleitur galvanískur straumur yfir allt yfirborðið og tæringarhraði er hóflegur (0,15-0,20 mm/ári). Óaðfinnanlegur koparrör með þykkt 1,2 mm endist í 5 til 6 ár í menguðu brennisteinssýru. Í öðru lagi er koparútfellingin leyst upp áður en galvanísk klefi er smíðaður með því að fjarlægja kopar reglulega með því að dýfa hitaranum í 5% saltpéturssýru við 50 gráður í 30 mínútur á 2-4 vikna fresti. Jafnvel soðnir ofnar geta varað í 2-3 ár með hreinsunarprógrammi þar sem forvarnarhringurinn slítur stöðugri galvanískri árás. Í þriðja lagi leiðir til þess að tæringarhemli, svo sem bensótríazól (BTA, 10–50 ppm) er bætt við, myndar hlífðarhúð á koparútfellingunum, sem gerir bakskautsflötinn óvirkan og dregur úr galvanískum straumi um 80–90%. "BTA er mikið notað í koparvinnslu og er samhæft við brennisteinssýru. Vettvangsniðurstöður frá kopar rafvinnsluaðgerðum benda til þess að 20 ppm BTA dragi úr tæringarhraða suðu HAZ úr 2,0 mm á ári í 0,3 mm á ári og eykur endingu soðnu hitara úr 6 mánuðum í yfir 3 ár.

Ályktun: Veggþykkt er ekki lausnin, suðueyðing eða koparstýring
Galvanísk tæringarhröðun títanhitunarrörs í heitri loftræstri 10% brennisteinssýrulausn með 100 ppm koparjónum er staðbundin á soðnum samskeytum, þar sem koparútfellingar mynda galvanískan klefa, sem leiðir til staðbundinnar árásarhraða upp á 1,8–2,5 mm á ári. Aukning á veggþykkt úr 0,9 mm í 2,0 mm eykur aðeins götunartímann við suðuna úr 6 mánuðum í 8,5 mánuði, smávægilegur ávinningur sem réttlætir ekki auka efniskostnað og hitauppstreymi. Grunnaðferðin er annaðhvort að fjarlægja soðnu tengið algjörlega með því að nota óaðfinnanlega títanrör sem nær 5+ ára endingartíma við 1,2 mm veggþykkt, eða stjórna útfellingu kopar með reglubundinni sýruhreinsun eða með því að setja bensótríazól hemla. Þegar tilgreint er fyrir koparmengaða brennisteinssýru er mikilvæga forskriftin ekki þykkari veggur heldur þörf fyrir óaðfinnanlega byggingu (ASTM B861, óaðfinnanlegur flokkur) og ráðlögð hreinsunarrútína eða viðbót við tálmun. Soðið hitari mun bila við suðuna innan eins árs, sama hversu þykkur veggurinn er. Óaðfinnanlegur hitari með venjulegan vegg upp á 1,2 mm verður betri en allir soðnir hitari af hvaða veggþykkt sem er. Látið framleiðanda vita um væntanlegan koparjónastyrk (ppm) og möguleika á reglubundinni hreinsun. Biddu um staðfestingu sem staðfestir að hitarinn sé með óaðfinnanlegar slöngur án lengdar- eða ummálssuðu á upphitaða svæðinu.