음극 보호 전위가 Ag/AgCl에 비해 –0.7V를 초과할 때 티타늄 침지 히터의 수소 흡수율이 급격히 증가하는 이유는 무엇입니까?

티타늄은 고온에서 황산에 매우 공격적입니다. 2등급 티타늄만 80도에서 약 10% H2SO4 미만 또는 주변 온도에서 50% H2SO4 미만으로 허용됩니다. 묽은황산은 80도 이상의 온도에서 균일하게 빠르게 공격하거나 공식을 생성합니다. 그러나 많은 산업계 황산 흐름에는 업스트림 침출, 산세 또는 전기채취 활동에서 파생된 용해된 금속 이온이 포함되어 있습니다. 구리 이온(Cu²⁺)은 습식 야금 및 인쇄 회로 기판 에칭 공정에서 자주 발견됩니다. 구리 이온은 뜨거운 황산에서 티타늄의 부식 거동에 뚜렷한 영향을 미칩니다. 피해 과정은 균일한 얇아짐에서 고도로 표적화된 공격으로 변경됩니다. 이러한 변화를 아는 것이 히터 수명을 예측하고 예상치 못한 천공을 방지하는 데 중요합니다.

티타늄 부식의 구리 이온 변형 메커니즘

티타늄은 순수한 황산(Ti → Ti⁴⁺ + 4e⁻)에서 활성 용해를 거치며, 음극 과정은 수소 발생입니다. 부식 속도는 티타늄 표면의 수소 발생 속도에 따라 제어됩니다. 구리 이온이 존재하면 또 다른 음극 반응이 가능합니다: Cu 2+ + 2e- > Cu 0(티타늄 표면에 구리 금속 도금). 구리 증착 반응은 수소 발생 공정보다 교환 전류 밀도가 실질적으로 더 크므로 음극 반응 속도가 증가합니다. 이 경우 증착된 구리(음극)와 노출된 티타늄(양극) 사이에 갈바니 커플이 있습니다. 국소적인 갈바니 전지가 구리 섬에 형성되고 티타늄의 빠른 양극 용해가 구리 침전물 부근에서 발생합니다. 부식 형태는 표면의 균일한 거칠기에서부터 각 구리 입자를 둘러싸는 깊고 좁은 터널로 발전합니다.

부식률과 형태의 정량적 변화

85도, 15% H2SO₄의 제어 침수 테스트에서 티타늄 등급 2에 대해 다음과 같은 관계가 나타났습니다.

순수 황산(구리 없음): 균일한 부식 속도, 0.8mm/yr 표면은 최대 0.8mm로 광범위한 거칠기를 나타냅니다. 구덩이 깊이는 평균 관통력과 대략 동일합니다. 벽이 두꺼운-튜브와 함께 단기-사용에 적합합니다.

구리 10ppm 첨가: 국부적인 공격이기는 하지만 부식 속도는 1.5mm/yr입니다. 피트 깊이는 최대 2.0mm이며 일반적인 박층화는 0.5mm 미만입니다. 천공은 구덩이를 통해 발생합니다. 대부분의 튜브는 원래 벽 두께를 유지합니다.

구리 첨가물 50ppm: 평균 부식 속도 2.5mm/년 최대 피트 깊이 4.0mm. 티타늄 표면의 적갈색-점은 구리 침전물입니다. 구덩이는 1.0mm 벽 두께로 4~6개월 동안 관통됩니다.

구리 첨가 200ppm: 평균 부식 속도 4.0mm/년. 최대 피트 깊이는 6.0mm 이상입니다. 용접 및 균열의 신속한 공격. 국부적인 천공으로 인해 튜브가 파손될 수 있지만 표면의 70~80%는 비교적 손상되지 않습니다.

500ppm 이상의 구리 첨가 빠른 구리 도금은 티타늄에 연속적인 구리 층을 형성합니다. 아래의 티타늄은 구리-티타늄 인터페이스를 균일하게 침식하여 접착력 손실과 구리 박리를 초래하는 것으로 나타났습니다. 구리판과 티타늄은 순환 과정을 통해 여러 층으로 용해됩니다.

구리 농도에 따른 부식 형태

다음 표는 구리-로 오염된 황산의 티타늄 히터에 대한 부식 형태 분류 및 설계 조언을 제공합니다.

H2SO4 지배적 부식 형태의 구리 이온 농도(ppm) 유효 침투율(85도, 15% H2SO4에서 mm/년) 권장 설계 응답
0-5 (배경)균일한 감육 0.6-0.9벽두께 공차가 있는 2등급 (최소. 1.5 mm 두께)
5–30 고립된 구리 섬이 있는 국부적인 구멍 1.5-2.5 벽 두께를 2.0mm로 늘립니다. 매년 구멍이 있는지 확인하십시오.
30–100 구리 침전물 주변의 깊은 트렌칭 3.0–5.0(현지화) 7등급 티타늄 고려. - 피트 깊이를 분기별로 측정합니다.
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 티타늄 대신 지르코늄 또는 테프론{1}} 라이닝 히터를 사용합니다.
온도와 산 농도의 상호작용

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%) 황산구리의 용해도를 감소시켜 구리가 용해된 이온이 아닌 티타늄 표면에 직접 침전되게 합니다. 구리 오염은 농축된 산(60-80% H2SO4)에서 몇 주 내에 빠르고 치명적인 고장을 초래합니다. 반면, 60도 미만의 온도에서는 구리 증착 반응이 동역학적으로 제한되며 500ppm의 구리라도 무시할 만큼 부식 가속이 발생합니다.

충분한 정보를 바탕으로 사양 작성하기

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 >200ppm, 대체 히터 재료(예: 증착된 구리와 갈바닉 쌍을 형성하지 않는 지르코늄)를 고려해야 합니다. 구리 농도의 스파이크가 있는지 작동 중에 공정 유체를 모니터링하십시오. 그러나 24시간 동안 50ppm에서 500ppm까지 일시적으로 상승하면 구리 수준이 정상으로 돌아온 후에도 계속해서 전파되는 구멍이 발생할 수 있습니다. 히터에 구리가 보이면 장치를 끄고 묽은 질산(5% HNO₃)으로 튜브 표면을 헹구어 구리를 제거한 다음 장치를 다시 시작하십시오. 엔지니어는 산 농도만으로도 티타늄 호환성에 영향을 미친다는 위험한 개념을 피하기 위해 부식 형태의 구리 이온 변형에 대해 논의합니다.