Wie wirkt sich die Feuchtkugeltemperatur der Umgebungsluft auf die Korrosionsrate des nicht eingetauchten Abschnitts (Dampfphase) einer Titanheizung aus?

The corrosion rate of the unsubmerged (vapor phase) section of a titanium immersion heater being operated by a process engineer in an open tank where the top portion is exposed to vapor and ambient air is directly influenced by the wet-bulb temperature of the ambient air. The equilibrium moisture content on the titanium surface is determined by the wet-bulb temperature. If the wet-bulb temperature is high (e.g., >25 Grad, hohe Luftfeuchtigkeit), kondensiert Feuchtigkeit auf der kälteren Titanoberfläche (wenn die Oberflächentemperatur unter dem Taupunkt liegt). Diese Kondensationsschicht enthält gelöste Gase (Sauerstoff, Kohlendioxid, Chloride) und kann korrosiv sein. Wenn die Feuchtkugeltemperatur niedrig ist (z. B. < 15 Grad, trockene Luft), bleibt die Titanoberfläche trocken und passiv und Korrosion ist unbedeutend. Beispielsweise kann ein Titanheizgerät in einem heißen (80 Grad) Bad aus angesäuertem Wasser bei einer Umgebungs-Nasstemperatur von 28 Grad Lochfraßkorrosion mit Raten von 0,05-0,2 mm/Jahr im nicht eingetauchten Bereich erleiden, wohingegen das identische Heizgerät in einem trockenen Klima (Feuchtkugeltemperatur 10 Grad) keine nennenswerte Korrosion aufweist.

Dampfphasenkorrosionsmechanismus von Titan
Der nicht eingetauchte Teil einer Titanheizung ist dem Dampf der Prozessflüssigkeit und der Umgebungsluft ausgesetzt. Der Dampf besteht aus flüchtigen Stoffen (HCl, H2SO4-Nebel, organische Säuren oder Wasserdampf). Wenn die Umgebungstemperatur der Feuchtkugel hoch ist und die Oberflächentemperatur unter dem Taupunkt des Dampf-Luftgemisches liegt, kondensiert Feuchtigkeit auf der Titanoberfläche. Das verflüssigte Kondensat erzeugt eine dünne Elektrolytschicht (normalerweise 1-100 µm dick), die korrosive Gase (CO₂, SO₂, Cl₂) aus der Luft und flüchtige Säuren aus dem Dampf absorbiert. Der Film ist aufgrund seines großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und der Konzentration korrosiver Spezies beim Verdampfen sehr feindselig. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, den passiven Titanfilm zu zerstören und Lochfraß oder Spaltkorrosion an der Dampf-Flüssigkeits-Grenzfläche auszulösen.

Quantifizierung der Dampfphasenkorrosionsrate im Verhältnis zur Nasstemperatur
Umgebungsfeuchte-Glühlampentemperatur (Grad) Relative Luftfeuchtigkeit (%) Kondensation auf der Ti-Oberfläche (bei 40 Grad Oberflächentemperatur)Dampfphasenkorrosionsrate (mm/Jahr)Dominante Spezies Risikograd < 10 < 30 Keine (trocken) < 0,005 Nicht vernachlässigbarGelegentlich (intermittierend) 0,005–0,01 Nebel verdünnter SäureNiedrig 15-20 50-70 Häufig (dünner Film) 0,01–0,05 Säurenebel + Chloride20-25 70-85 Kontinuierlich (dünner Film) 0,05–0,15 Konzentrierte Säure + Chloride Hoch 25-30 85-95 Kontinuierlich (dickerer Film) 0,15–0,30 Hochkonzentrierte SpeziesSchwer > 30 > 95 Überschwemmung (Tropfen) 0,10–0,20 (gewaschen) Verdünnung durch Tropfen Mäßig (gewaschen)
Ein szenariobasierter Leitfaden zur Kontrolle der Dampfphasenkorrosion
Dampfzusammensetzung FlüssigkeitsprozessUmgebungsfeucht-Glühlampentemperatur (Grad) Korrosionsrisiko im nicht eingetauchten Teil. Abhilfe empfohlen
Heißes Wasser, neutralNur Wasserdampf Beliebig Niedrig Keine Aktion erforderlich
Verdünnte HCl (5 %) HCl-Nebel + Wasserdampf 15 Low Titanium verdampft (keine Wirkung)
HCl-Nebel + Wasserdampf Verdünnte HCl (5 %) 25 Abschnitt mit mäßiger Dampfphase, beschichtet mit PTFE
Konzentrierte HCl (20 %) HCl-Dampf + Wasserdampf 25 Hoch Versiegelten Tank mit Dampfabsaugung verwenden
Heiße Sole (20 % NaCl) Wasserdampf + Salznebel 28 Hoher (Lochfraß) Abschnitt der Dampfphase des Elektropolierens. Fügen Sie Wasserspray hinzu, um Salzansammlungen zu vermeiden.
50 %iger Schwefelsäure-H₂SO₄-Nebel + Wasserdampf 25 Mäßig bis hoch. Den erhitzten Teil verlängern, um die Oberfläche über dem Taupunkt zu halten
Chromsäure (Galvanisierungsbad) Chromsäuredampf 20 Niedrig (Chromat hemmt)Keine Maßnahme erforderlich (Chromat passiviert)
Organisches Lösungsmittel (kein Wasser) Lösungsmitteldampf Beliebig Sehr gering Keine Kondensation von Wasser. Oberfläche ist trocken.
Technische Ansätze zur Reduzierung der Dampfphasenkorrosion
Wenn es aufgrund hoher Feuchtkugeltemperaturen (> 20 Grad) zu Dampfphasenkorrosion am nicht eingetauchten Teil einer Titanheizung kommt, sind vier Abhilfemaßnahmen wirksam. Die erste Abhilfe besteht darin, den erhitzten Teil höher über den Flüssigkeitsspiegel anzuheben. Die Temperatur der Titanoberfläche muss über dem Taupunkt gehalten werden (z. B. > 45 Grad für 25 Grad Feuchtkugel), um Kondensation zu vermeiden. Dazu muss die Heizung so konstruiert sein, dass das Heizelement bis in den Dampfphasenbereich reicht und die Titanhülle erhitzt hält. Die zweite Abhilfemaßnahme ist eine PTFE- oder Fluorpolymer-Abdeckung des oben genannten Wasserbereichs. Die Beschichtung verhindert, dass der kondensierte Elektrolyt die Titanoberfläche angreift. Die letzte Abhilfe besteht darin, eine Dampfabsaugvorrichtung (Absaughaube) zu installieren, um korrosive Dämpfe zu entfernen und die Feuchtigkeit über dem Tank zu minimieren. Kondensation wird vermieden, wenn die Feuchtkugeltemperatur unter 15 Grad gesenkt wird. Die vierte Abhilfemaßnahme ist der Einsatz eines Wassersprüh- oder Nebelabscheiders zur kontinuierlichen Reinigung des nicht eingetauchten Teils, um eine Konzentration korrosiver Spezies zu verhindern.

Conclusion: Vapor phase corrosion up to 0.3 mm/year is due to high wet-bulb temperature (>25 Grad)
Die Feuchtkugeltemperatur der Umgebungsluft wirkt sich direkt auf die Korrosionsrate des nicht eingetauchten Teils (Dampfphase) einer Titanheizung aus. Wenn die Feuchttemperatur unter 15 Grad (trockene Bedingungen) liegt, bleibt die Titanoberfläche trocken und nicht korrosiv. Wenn die Feuchtkugeltemperatur über 25 Grad (feuchte Bedingungen) liegt, kondensiert Feuchtigkeit auf der kühleren Titanoberfläche und bildet einen dünnen Elektrolytfilm, der korrosive Gase absorbiert und Spezies durch Verdunstung konzentriert. In rauen Umgebungen (z. B. heiße HCl oder Sole mit hoher Umgebungsfeuchtigkeit) können die Korrosionsraten in der Dampfphase bis zu 0,15-0,30 mm/Jahr betragen, was innerhalb von 2-5 Jahren zu Lochfraß und Perforation des nicht eingetauchten Teils führt. Zu den Abhilfemaßnahmen gehören das Erhitzen des Teils über den Taupunkt, der nicht eingetaucht ist, das Aufbringen von PTFE-Beschichtungen oder die Implementierung einer Dampfabsaugung, um die Feuchtkugeltemperatur zu minimieren. Für jede Anwendung mit korrosiven Dämpfen und hoher Umgebungsfeuchtigkeit erfordert die Spezifikation einer Titanheizung, dass dem Lieferanten der voraussichtliche Feuchtkugeltemperaturbereich mitgeteilt wird, damit das nicht eingetauchte Teil entsprechend ausgelegt werden kann (erweiterte Erwärmung, Beschichtung oder Materialveredelung).