El borato de sodio (Na₂B₄O₇) al 8% de concentración y 95 grados se utiliza como agente tampón e inhibidor de la corrosión. Los iones borato (B₄O₇²⁻) pueden formar una película protectora sobre el titanio, pero la estabilidad de esta película depende de la concentración de borato en la superficie del metal. Bajo calentamiento cíclico, el gradiente de temperatura a través de la capa límite hace que los iones borato migren o precipiten. Se desarrolla un gradiente de concentración, con una mayor concentración de borato en la solución a granel más fría y una menor concentración en la superficie del tubo caliente. Este gradiente desestabiliza la película pasiva, provocando un adelgazamiento localizado. La película pasiva permanece estable cuando la concentración de borato en la superficie supera el 2%.

El mecanismo de formación del gradiente de concentración de borato

En condiciones de calentamiento constante-, los iones de borato se difunden hacia la superficie caliente del titanio, pero la difusión térmica (efecto Soret) los aleja de la superficie caliente. El efecto neto es una capa límite agotada, con la concentración de borato en la superficie del tubo entre un 10% y un 30% menor que en la solución a granel. Durante el calentamiento cíclico (ciclos de encendido-apagado), el gradiente de concentración oscila. Cuando el calentador se apaga, la superficie se enfría y los iones de borato se difunden hacia la superficie, provocando una pasivación temporal. Cuando el calentador vuelve a encenderse, el gradiente se restablece y la superficie se agota. Este agotamiento y recuperación cíclicos tensan la película pasiva, lo que provoca grietas y desconchados.

Estabilidad cuantitativa de la película pasiva en función de la concentración de borato en la superficie

Las pruebas controladas en borato de sodio al 8 % (concentración aparente) a 95 grados bajo calentamiento cíclico (1 hora encendido, 1 hora apagado) han establecido la estabilidad pasiva de la película para titanio de grado 2 en diferentes concentraciones de borato en la superficie. A una concentración superficial del 4 al 5 % (enriquecida), el espesor de la película pasiva es de 5 a 8 nm, la película es estable y adherente y no se producen picaduras después de 1000 ciclos. Al 3-4% (casi a granel), el espesor es de 3-5 nm, la película es moderadamente estable y se producen picaduras ocasionales después de 500 ciclos. Al 2-3% (agotamiento moderado), el espesor es de 2-4 nm, la película muestra grietas y las picaduras se inician después de 200-400 ciclos. Al 1-2% (agotado), el espesor es de 1-3 nm, la película es inestable y se producen picaduras en 50-200 ciclos. Por debajo del 1%, la película pasiva falla por completo y se produce una corrosión uniforme entre 0,1 y 0,3 mm por año.

Influencia de la concentración de borato y la frecuencia del ciclo en el agotamiento de la superficie

La gravedad del agotamiento de la superficie depende de la concentración total de borato y de la frecuencia del ciclo. Con un 4% de borato a granel, la concentración superficial bajo calentamiento cíclico es de 2 a 3%, lo cual es marginal. Con un volumen del 6%, la concentración superficial es del 3 al 4%, que es moderadamente estable. Al 8% a granel (nominal), la concentración superficial es del 4 al 5%, que es estable. Con un 10% de volumen, la concentración superficial es del 5 al 6%, lo que es muy estable. Con una frecuencia de ciclo de 6 ciclos por hora (10 minutos encendido, 10 minutos apagado), la concentración superficial es entre un 10% y un 20% menor que con 2 ciclos por día porque la capa límite no tiene tiempo de recuperarse.

Guía de gestión de ciclos y concentración de borato para calentadores de titanio

La siguiente tabla proporciona recomendaciones para la concentración total de borato y los parámetros del ciclo para mantener la estabilidad pasiva de la película en titanio Grado 2 a 95 grados.

Ingeniería más allá del control de concentración

El grado de titanio afecta la estabilidad pasiva de la película bajo gradientes de concentración. El grado 7 (paladio-estabilizado) mantiene una película estable en concentraciones de borato en la superficie de hasta el 1,5 %, lo que proporciona un mayor margen de seguridad. El grado 12 ofrece una mejora intermedia. El espesor de la pared no afecta la película pasiva. La velocidad de calentamiento importa; El aumento lento (1 grado por minuto) reduce el gradiente de concentración en comparación con el aumento rápido (10 grados por minuto). La agitación de la solución (un mezclador o una bomba de recirculación) minimiza el gradiente de concentración al reducir el espesor de la capa límite.

Hacer una especificación informada

Para un calentador de vaina de titanio en 8% de borato de sodio a 95 grados con calentamiento cíclico, mantenga la concentración de borato a granel entre 8 y 10% para garantizar una concentración superficial superior al 4% durante el ciclo. Si la frecuencia del ciclo excede los 6 ciclos por hora, aumente la concentración total al 10%. Para calentadores existentes con inestabilidad de película pasiva (indicada por consumo de energía errático o picaduras), agregue borato para aumentar la concentración al 10% o reducir la frecuencia del ciclo. Durante la operación, controle el pH; si el pH cae por debajo de 9, agregue hidróxido de sodio. Al controlar el gradiente de concentración de borato mediante una concentración aparente adecuada y una frecuencia de ciclo reducida, el ingeniero mantiene una película pasiva estable en los calentadores de titanio.