Борат натрію (Na₂B₄O₇) у концентрації 8% і 95 градусах використовується як буферний агент та інгібітор корозії. Іони борату (B₄O₇²⁻) можуть утворювати захисну плівку на титані, але стабільність цієї плівки залежить від концентрації борату на поверхні металу. Під час циклічного нагрівання градієнт температури через прикордонний шар спричиняє міграцію або випадання іонів борату. Розвивається градієнт концентрації з вищою концентрацією борату в холоднішому масовому розчині та нижчою концентрацією на поверхні гарячої трубки. Цей градієнт дестабілізує пасивну плівку, що призводить до локального витончення. Пасивна плівка залишається стабільною, коли концентрація борату на поверхні перевищує 2%.

Механізм утворення градієнта концентрації борату

Під час стабільного-нагрівання іони борату дифундують до гарячої поверхні титану, але теплова дифузія (ефект Соре) відштовхує їх від гарячої поверхні. Підсумковим ефектом є збіднений прикордонний шар із концентрацією борату на поверхні трубки на 10–30% нижчою, ніж у масовому розчині. Під час циклічного нагрівання (цикли увімкнення-вимкнення) градієнт концентрації коливається. Коли нагрівач вимикається, поверхня охолоджується, і іони борату дифундують назад до поверхні, викликаючи тимчасову пасивацію. Коли нагрівач знову вмикається, градієнт відновлюється-, і поверхня стає виснаженою. Це циклічне виснаження та відновлення напружує пасивну плівку, що призводить до розтріскування та розколювання.

Кількісна стабільність пасивної плівки як функція поверхневої концентрації борату

Контрольоване випробування в 8% борату натрію (масова концентрація) при 95 градусах при циклічному нагріванні (1 година увімкнено, 1 година вимкнено) встановило стабільність пасивної плівки для титану Grade 2 при різних концентраціях борату на поверхні. При поверхневій концентрації 4–5% (збагачена) товщина пасивної плівки становить 5–8 нм, плівка є стабільною та липкою, і після 1000 циклів не виникає точкових утворень. При 3–4% (майже об’ємній) товщина становить 3–5 нм, плівка є помірно стабільною, а після 500 циклів іноді з’являється пітінг. При 2–3% (помірне виснаження) товщина становить 2–4 нм, на плівці з’являються тріщини, а після 200–400 циклів з’являється пітінг. При 1–2% (збідненому) товщина становить 1–3 нм, плівка нестабільна, пітінг відбувається протягом 50–200 циклів. Нижче 1% пасивна плівка повністю руйнується, а рівномірна корозія відбувається зі швидкістю 0,1–0,3 мм на рік.

Вплив концентрації борату та частоти циклу на виснаження поверхні

Серйозність виснаження поверхні залежить від масової концентрації борату та частоти циклу. При 4% масовому бораті поверхнева концентрація при циклічному нагріванні становить 2–3%, що є граничним. При масовій масі 6% поверхнева концентрація становить 3–4%, що є помірно стабільним. При об’ємній масі 8% (номінальна) концентрація на поверхні становить 4–5%, що є стабільною. При масовій концентрації 10% поверхнева концентрація становить 5–6%, що є дуже стабільною. При частоті циклів 6 циклів на годину (10 хвилин увімкнено, 10 хвилин вимкнено) поверхнева концентрація на 10–20% нижча, ніж при 2 циклах на день, оскільки прикордонний шар не встигає відновитися.

Посібник із концентрації борату та керування циклом для титанових нагрівачів

У наступній таблиці наведено рекомендації щодо масової концентрації борату та параметрів циклу для підтримки стабільності пасивної плівки на титані класу 2 при 95 градусах.

Інженерія поза контролем концентрації

Сорт титану впливає на стабільність пасивної плівки під градієнтами концентрації. Клас 7 (стабілізований паладієм) зберігає стабільну плівку при концентрації борату на поверхні до 1,5%, забезпечуючи більший запас надійності. 12 клас пропонує проміжне вдосконалення. Товщина стінки не впливає на пасивну плівку. Швидкість нагрівання має значення; повільне нарощування (1 градус на хвилину) зменшує градієнт концентрації порівняно зі швидким наростанням (10 градусів на хвилину). Перемішування розчину (змішувач або рециркуляційний насос) мінімізує градієнт концентрації за рахунок зменшення товщини прикордонного шару.

Складання обґрунтованої специфікації

Для нагрівача титанової оболонки в 8% борату натрію при 95 градусах із циклічним нагріванням підтримуйте об’ємну концентрацію борату на рівні 8–10%, щоб забезпечити поверхневу концентрацію вище 4% під час циклу. Якщо частота циклів перевищує 6 циклів на годину, збільште масову концентрацію до 10%. Для існуючих нагрівачів з нестабільністю пасивної плівки (що вказує на нестабільне енергоспоживання або точкову точку) додайте борат, щоб підвищити концентрацію до 10% або зменшити частоту циклу. Під час роботи стежити за pH; якщо рН падає нижче 9, додайте гідроксид натрію. Контролюючи градієнт концентрації борату за допомогою адекватної масової концентрації та зниженої частоти циклів, інженер підтримує стабільну пасивну плівку на титанових нагрівачах.