Pour une tige chauffante en titane fonctionnant dans une solution à 50 % de carbonate de potassium à 110 degrés, comment le niveau d'oxygène dissous (0,5 ppm contre . 5 ppm) modifie-t-il la stabilité de la couche de passivation du titanate ?
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Dans 50 % de carbonate de potassium (K₂CO₃) à 110 degrés, une couche protectrice de titanate de potassium (K₂TiO₃) se forme sur la surface du titane. L'oxygène dissous (OD) est essentiel à la formation de titanate. À faible DO (0,5 ppm), la couche de titanate est fine (0,1 à 0,5 µm) et poreuse, offrant une mauvaise protection. À une DO élevée (5 ppm), la couche est plus épaisse (1 à 3 µm) et dense, réduisant le taux de corrosion de 5 à 10 fois. La couche de titanate se forme par la réaction TiO₂ + K₂O → K₂TiO₃, où K₂O provient de la décomposition du K₂CO₃.
Le mécanisme d'influence de l'oxygène dissous sur la formation de la couche de titanate
L'oxygène est nécessaire pour maintenir la surface du titane dans un état passif où du TiO₂ peut se former. En présence de K₂CO₃, le TiO₂ réagit pour former K₂TiO₃. Sans suffisamment d'oxygène, la couche de TiO₂ est fine et défectueuse, et la couche de K₂TiO₃ qui se forme est également défectueuse. À faible DO, la couche présente des fissures et des pores qui permettent une corrosion continue. À DO élevé, la couche se développe uniformément et devient protectrice. Le taux de corrosion en régime stable est régi par la diffusion de l’oxygène à travers la couche de titanate.
Caractéristiques quantitatives de la couche de titanate en fonction de l'oxygène dissous
Des tests contrôlés dans 50 % de K₂CO₃ à 110 degrés pendant 1 000 heures ont établi ce qui suit pour le titane de grade 2. À 0 ppm d'OD (désaéré), l'épaisseur de la couche de titanate est de 0,05 à 0,1 µm, le taux de corrosion est de 0,15 à 0,30 mm par an et la surface est sombre et poreuse. À 0,5 ppm de DO, l'épaisseur est de 0,1 à 0,3 µm, le taux de corrosion est de 0,08 à 0,15 mm par an et la surface est grise avec une porosité modérée. À 2 ppm de DO, l'épaisseur est de 0,5 à 1,0 µm, le taux de corrosion est de 0,03 à 0,08 mm par an et la surface est gris clair. À 5 ppm de DO, l'épaisseur est de 1,0 à 2,0 µm, le taux de corrosion est de 0,01 à 0,03 mm par an et la surface est brillante et protectrice. À 10 ppm de DO, l'épaisseur est de 2,0 à 3,0 µm, le taux de corrosion est de 0,005 à 0,015 mm par an et la surface est brillante et stable.
Influence de la température sur les besoins en oxygène dissous
Le minimum DO requis pour une passivation stable augmente avec la température. À 80 degrés, le DO minimum pour une couche de passivation stable (taux de corrosion<0.02 mm per year) is 1 ppm. At 100°C, the minimum is 2 ppm. At 110°C, the minimum is 3 ppm. At 120°C, the minimum is 4 ppm. At 130°C, the minimum is 5 ppm. The recommended DO for a safety margin is 2–3 times the minimum.
Guide de gestion de l'oxygène dissous pour les réchauffeurs de carbonate de potassium
Le tableau suivant fournit des recommandations pour les niveaux d'oxygène dissous dans 50 % de K₂CO₃ à 110 degrés pour les radiateurs en titane de grade 2 et 7.
| OD mesuré (ppm) | Stabilité de la couche de titanate | Taux de corrosion attendu (mm/an) | Action recommandée |
|---|---|---|---|
| >5 | Excellent | 0.005–0.015 | Aucun |
| 3–5 | Bien | 0.01–0.03 | Surveiller chaque semaine |
| 2–3 | Marginal | 0.03–0.08 | Faire circuler de l'air |
| 1–2 | Pauvre | 0.08–0.15 | Augmenter l'aération |
| 0.5–1 | Instable | 0.15–0.30 | Refonte ; ajouter un oxydant |
| <0.5 | Très instable | >0.30 | Pas acceptable |
Ingénierie au-delà du contrôle de l’oxygène dissous
La qualité du titane affecte le DO requis. Le grade 7 (palladium-stabilisé) forme une couche de titanate stable à des niveaux d'OD inférieurs (1 à 2 ppm à 110 degrés) en raison de la réduction de l'oxygène catalysée par le palladium-. La 12e année offre une amélioration intermédiaire. L'épaisseur de la paroi offre une tolérance à la corrosion ; un mur de 2,0 mm avec une corrosion de 0,03 mm par an dure 60 ans. La concentration en K₂CO₃ affecte la passivation ; à 40% K₂CO₃, le DO requis est plus faible. La présence de chlorures dans la solution K₂CO₃ (provenant d'impuretés) augmente les besoins en OD de 1 à 2 ppm.
Faire une spécification éclairée
Pour une tige chauffante en titane dans 50 % de K₂CO₃ à 110 degrés, maintenez l'oxygène dissous au-dessus de 5 ppm par barbotage d'air ou injection d'oxygène. Installez une sonde DO avec une alarme réglée à 4 ppm et un verrouillage à 3 ppm. Pour les systèmes existants avec une DO inférieure à 3 ppm, ajoutez un arroseur ou augmentez le taux d'aération. Si l'aération n'est pas possible, diluez le K₂CO₃ à 40 % ou réduisez la température à 100 degrés. En contrôlant l'oxygène dissous au-dessus de 5 ppm, l'ingénieur favorise une couche de titanate de potassium stable et protectrice et minimise la corrosion.
