Wie beeinflusst die Qualität des Spülwassers (Leitungswasser oder entionisiertes Wasser) in einem Titanmantelheizgerät, das täglich mit 10 %iger Phosphorsäure bei 80 Grad gereinigt wird, die Repassivierungskinetik und die anschließende Lochfraßbildung im Betrieb?
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In Industriebetrieben werden Titanmantelheizer abwechselnd korrosiven und waschenden Bedingungen mit einem täglichen Reinigungszyklus ausgesetzt, wobei 10 %ige Phosphorsäure bei 80 Grad verwendet wird. Die Qualität des Spülwassers zwischen den Reinigungszyklen ist entscheidend für die Repassivierungskinetik der Titanoberfläche. Entionisiertes Wasser mit einem spezifischen Widerstand > 1 MΩ·cm ermöglicht eine schnelle Repassivierung und die Bildung eines stabilen Passivfilms innerhalb von 10–30 Minuten. Leitungswasser, das Chloride (normalerweise 50–200 ppm) und andere Ionen enthält, verlangsamt die Repassivierung, verlängert die Zeit bis zur Bildung einer stabilen Schicht auf 2–6 Stunden und hinterlässt adsorbierte Chloride auf der Oberfläche, die im späteren Betrieb als Ausgangspunkt für Lochfraß dienen. Die gewählte Qualität des Spülwassers wirkt sich direkt auf die Lochfraßdichte und die Lebensdauer des Heizgeräts aus.
Der Mechanismus des Einflusses von Spülwasser auf die Kinetik der Repassivierung
Nach der Behandlung mit 10 %iger Phosphorsäure befindet sich die Titanoberfläche im aktiven oder teilweise passiven Zustand. Die Säure wird durch Spülen entfernt, aber sie verändert auch die Chemie der Lösung, in der die Repassivierung stattfindet. Das entionisierte Wasser sorgt für eine saubere Umgebung mit geringer Leitfähigkeit für das gleichmäßige Wachstum des passiven Titanfilms. Es sind keine feindlichen Ionen vorhanden und es kann eine dichte stöchiometrische TiO2-Schicht gebildet werden. Chloridionen aus Leitungswasser werden auf der Titanoberfläche adsorbiert und konkurrieren mit Sauerstoff um Adsorptionsplätze. Und Chloride verhindern die Bildung des Passivfilms und können sich während der Bildung unter dem Oxid festsetzen, was zu Schwachstellen führt, die bei der Wiederinbetriebnahme des Heizgeräts zu Lochfraß führen. Die Repassivierungszeit ist die Zeit, die benötigt wird, bis die Korrosionsstromdichte nach dem Spülen unter 1 µA/cm2 absinkt.
Quantitative Repassivierungszeiten und Lochfraßraten verschiedener Spülwasserqualitäten
Kontrollierte Tests von Titan-Coupons der Güteklasse 2, bei denen täglich 1 Stunde lang in 10 %ige Phosphorsäure bei 80 Grad getaucht wurde, gefolgt von einer 15-minütigen Spülung und anschließendem Eintauchen in 3 % NaCl bei 60 Grad, um den Einsatz zu reproduzieren, haben über 30 Zyklen das folgende Verhalten festgestellt. Die Repassivierungszeit beim Spülen mit entionisiertem Wasser mit einem spezifischen Widerstand von 18 MΩ·cm beträgt 10–30 Minuten, die Passivfilmdicke nach 1 Stunde beträgt 3–5 nm, die Lochfraßdichte im nachfolgenden Betrieb beträgt 0–5 Löcher pro cm² und die maximale Lochtiefe nach 500 Stunden beträgt 0–20 µm. Diese Leistung gilt als großartig. Die Repassivierungszeit in enthärtetem Leitungswasser (10.000 Ω·cm spezifischer Widerstand, 20 ppm Chlorid) erhöht sich auf 30–90 Minuten, die Filmdicke nach 1 Stunde beträgt 2–4 nm, die Lochfraßdichte beträgt 5–20 Grübchen/cm2 und die Grübchentiefe beträgt 20–80 μm, was auf eine gute Leistung hinweist. Normales Leitungswasser, 2000 Ohm-cm spezifischer Widerstand, 100 ppm Chlorid-Repassivierungszeit 1-3 Stunden Filmdicke nach 1 Stunde 1-3 nm Lochfraßdichte 20-80 Löcher/cm2 Lochtiefe 80-200 mm mittelmäßig bis schlecht. Das harte Leitungswasser hat eine Repassivierungszeit von 3–6 Stunden, eine Filmdicke von 1–2 nm nach 1 Stunde, eine Lochfraßdichte von > 80 Grübchen/cm² und eine Grübchentiefe von > 200 µm bei einem spezifischen Widerstand von 500 Ω·cm und 200 ppm Chlorid, was inakzeptabel ist.
Einfluss von Spüldauer und Temperatur auf die Qualität der Repassivierung
Die Effizienz der Spülung hängt von der Wasserqualität und den Parametern der Spülung ab. Eine 5-minütige Spülung mit entionisiertem Wasser führte zu einer 80-prozentigen Repassivierung im Vergleich zu einer 30-minütigen Spülung. Eine 60-minütige Spülung mit Leitungswasser mit 100 ppm Chlorid entspricht hinsichtlich der Repassivierungsqualität nicht einer 10-minütigen Spülung mit entionisiertem Wasser. Die Temperatur des Spülwassers ist ein weiterer wichtiger Faktor. Warmes Spülwasser (40 Grad) verbessert die Repassivierungskinetik um 30–50 % im Vergleich zu kaltem Spülwasser (20 Grad), sowohl bei entionisiertem Wasser als auch bei Leitungswasser. Warmes Leitungswasser kann jedoch dazu führen, dass sich während des Trocknungsprozesses Chloride konzentrieren, was das Ergebnis verschlechtert. Ein zusätzlicher Vorteil ist bei allen Wasserqualitäten eine Nachspülung mit entionisiertem Wasser nach der Hauptspülung.
Phosphorsäure-Reinigungszyklen - Leitfaden zur Auswahl der Qualität des Spülwassers
Empfehlungen für die Qualität des Spülwassers für tägliche Reinigungszyklen mit 10 %iger Phosphorsäure bei 80 Grad sind in der folgenden Tabelle aufgeführt, abhängig von der gewünschten Lochfraßbeständigkeit und Lebensdauer im nachfolgenden chloridhaltigen Betrieb.
Gewünschte Lochfraßdichte (Pornchen/cm2) nach 500 Stunden. Maximal zulässiges Chlorid im Spülwasser (ppm). Empfohlener minimaler Spülwasserwiderstand (Ω·cm). Empfohlene Spüldauer (Minuten). Letzte Spülung erforderlich<5 <10 >100,000 15 Ja (DI-Spray)
5 - 20 10 - 50 10,000 - 100,000 20 Empfohlen
20–80 50–150 1,000–10,000 30 Recommended >80 >150 <1,000 60+ Not effective Engineering Beyond Rinse Water Quality Control
Der Titangrad beeinflusst die Repassivierungskinetik. Grad 7 (Palladium-stabilisiert) repassiviert 2-mal schneller als Grad 2 in jeder Spülwasserqualität und verringert die Empfindlichkeit gegenüber Chloridverunreinigungen. Die Wandstärke bietet eine Lochfraßzugabe. Eine 2,0-mm-Wand mit mäßiger Lochfraßbildung durch Leitungswasserspülung kann 5 bis 8 Jahre halten, eine 1,2-mm-Wand würde jedoch früher versagen. Die Technik des Trocknens nach dem Spülen ist wichtig. Durch forcierte Heißlufttrocknung bei 60 Grad für 10 Minuten wird die verbleibende Feuchtigkeit entfernt und Chloridkonzentrationsbereiche vermieden. Wenn die Menge an entionisiertem Wasser begrenzt ist, ist ein kostengünstiger Kompromiss eine zweistufige Spülung (Leitungswasser, gefolgt von entionisiertem Wasser).
Bereitstellung einer fundierten Spezifikation
Verwenden Sie für eine Titanmantelheizung, die täglich mit 10 %iger Phosphorsäure bei 80 Grad verwendet und dann einer chloridhaltigen Umgebung ausgesetzt wird, eine zweistufige Spülung. Eine erste Spülung mit Leitungswasser für 1 Minute, gefolgt von einer abschließenden Spülung mit entionisiertem Wasser mit einem Widerstand von 18 MΩ·cm für 10 Minuten bei 40 Grad. Legen Sie fest, dass das letzte Spülwasser weniger als 10 ppm Chloride enthält. Wenn für bestehende Anlagen kein entionisiertes Wasser verfügbar ist, fügen Sie der Spülleitung eine Entionisierungskartusche hinzu oder verlängern Sie die Spülzeit mit forcierter Lufttrocknung auf 60 Minuten. Nach dem Spülvorgang während der Inbetriebnahme wurde ein Teststück auf sein Repassivierungspotenzial untersucht. Ein Wert von weniger als -0,1 V vs. Ag/AgCl in 3 % NaCl weist auf eine unvollständige Repassivierung hin und erfordert eine längere oder qualitativ hochwertigere Spülung. Der Techniker verwendet entionisiertes Waschwasser anstelle von Leitungswasser, um eine schnelle Repassivierung zu gewährleisten und keine weiteren Lochfraßbildungen im Betrieb zu verursachen.
