En un calentador de haz de tubos de titanio para una solución de nitrato de amonio al 20% a 80 grados, ¿cómo cambia el PH (4,5 Vs. 6.5) la densidad de la corriente de pasivación y el riesgo de agrietamiento por corrosión bajo tensión?
Dejar un mensaje
En nitrato de amonio al 20% (NH₄NO₃) a 80 grados, el pH afecta significativamente el comportamiento de pasivación del titanio. A pH 6,5 (casi neutro), la película pasiva es estable, con una densidad de corriente de pasivación de 0,05 a 0,1 µA/cm² y un bajo riesgo de fisuración por corrosión bajo tensión (SCC). A un pH de 4,5 (ácido por hidrólisis), la densidad de corriente de pasivación aumenta a 0,5–2 µA/cm² y el riesgo de SCC aumenta significativamente. El ion nitrato (NO₃⁻) es un oxidante y, a un pH más bajo, su reacción de reducción se acelera, elevando el potencial de corrosión a un rango en el que se produce una degradación localizada. Las grietas SCC se inician en puntos de concentración de tensiones, como puntas de soldadura o curvas.
El mecanismo de pasivación dependiente del pH-y SCC en nitrato de amonio
A un pH más alto (6,5), la reacción catódica es principalmente una reducción de oxígeno, que mantiene la superficie de titanio a un potencial pasivo por debajo de 0,5 V en comparación con un electrodo de hidrógeno estándar. La película pasiva es estable y se repara rápidamente. A un pH más bajo (4,5), la reducción de iones nitrato (NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → NO₂⁻ + H₂O) se vuelve significativa. Esta reacción tiene una mayor densidad de corriente de intercambio, lo que eleva el potencial mixto al rango transpasivo por encima de 1,0 V. En este rango, la película pasiva se rompe localmente. Si hay tensión de tracción, el SCC se inicia en los sitios de ruptura.
Densidad de corriente de pasivación cuantitativa y riesgo de SCC en función del pH
Las pruebas controladas en NH₄NO₃ al 20 % a 80 grados durante 1000 horas han establecido el siguiente comportamiento de pasivación para el titanio de grado 2. A pH 6,5, la densidad de corriente de pasivación es de 0,05 a 0,10 µA/cm², el tiempo de inicio de SCC supera las 5000 horas y el riesgo de SCC es bajo. A pH 6,0, la corriente de pasivación es de 0,08 a 0,15 µA/cm², el tiempo de inicio de SCC es de 3000 a 5000 horas y el riesgo es de bajo a moderado. A pH 5,5, la corriente de pasivación es de 0,15 a 0,30 µA/cm², el SCC se inicia entre 1000 y 3000 horas y el riesgo es moderado. A pH 5,0, la corriente de pasivación es de 0,30 a 0,70 µA/cm², la SCC se inicia entre 500 y 1500 horas y el riesgo es alto. A pH 4,5, la corriente de pasivación es de 0,50 a 1,50 µA/cm², la SCC se inicia entre 200 y 800 horas y el riesgo es grave. A pH 4,0, la corriente de pasivación es de 1,0 a 3,0 µA/cm², el SCC se inicia entre 100 y 400 horas y el riesgo es muy grave.
Influencia de la concentración de cloruros y nitratos en el riesgo de SCC
La presencia de cloruro en la solución de nitrato de amonio aumenta el riesgo de SCC a cualquier pH. A un pH de 5,5 con 0 ppm de cloruro, el riesgo de SCC es moderado. A un pH de 5,5 con 100 ppm de cloruro, el riesgo de SCC se vuelve alto y se recomienda titanio de grado 7. A un pH de 5,0 con 0 ppm de cloruro, el riesgo de SCC es alto y se recomienda el grado 7. A un pH de 5,0 con 100 ppm de cloruro, el riesgo de SCC es grave y requiere aislamiento eléctrico de Grado 7 más. A pH 4,5 con 0 ppm de cloruro, el Grado 7 proporciona un rendimiento aceptable. A un pH de 4,5 con 100 ppm de cloruro, incluso el Grado 7 puede fallar en 2000 horas.
Guía de control de pH y mitigación de SCC para calentadores de nitrato de amonio
La siguiente tabla proporciona recomendaciones para el control del pH y la selección del grado de titanio para nitrato de amonio al 20% a 80 grados, según la vida útil deseada y la contaminación por cloruro.
| pH de funcionamiento | Cloruro (ppm) | Grado recomendado | Vida útil esperada de SCC-gratuita (horas) | Densidad de corriente de pasivación (μA/cm²) |
|---|---|---|---|---|
| >6.0 | <100 | Grado 2 | >10,000 | 0.05–0.15 |
| 5.5–6.0 | <50 | Grado 2 | 5,000–10,000 | 0.15–0.30 |
| 5.5–6.0 | 50–100 | Grado 7 | 8,000–15,000 | 0.10–0.25 |
| 5.0–5.5 | <50 | Grado 7 | 5,000–10,000 | 0.20–0.40 |
| 5.0–5.5 | 50–100 | Aislamiento de grado 7 + | 3,000–6,000 | 0.30–0.60 |
| 4.5–5.0 | <50 | Aislamiento de grado 7 + | 3,000–5,000 | 0.50–1.00 |
| <4.5 | Cualquier | Proceso de rediseño | <2,000 | >1.00 |
Ingeniería más allá del control del pH
El espesor de la pared proporciona un margen de propagación de grietas; una pared de 2,0 mm con grietas de SCC a 0,1 mm por hora sobrevive 20 horas después del inicio de la grieta. La solución de nitrato de amonio debe neutralizarse con hidróxido de amonio para mantener el pH por encima de 6,0. Un monitor de pH con una alarma en 5,8 y un bloqueo en 5,5 evita el funcionamiento en el rango de alto-riesgo. Se debe aliviar la tensión-del calentador después de la fabricación para reducir la tensión de tracción residual. Los extremos de las soldaduras deben pulirse para reducir la concentración de tensiones. La solución debe filtrarse para eliminar las partículas que pueden actuar como sitios de inicio de SCC.
Hacer una especificación informada
Para un calentador de haz de tubos de titanio con 20 % de nitrato de amonio a 80 grados, mantenga el pH por encima de 6,0 para el Grado 2 o por encima de 5,5 para el Grado 7. Instale un monitor de pH continuo con una alarma configurada en 5,8 y un enclavamiento que apague el calentador si el pH cae por debajo de 5,5. Agregue hidróxido de amonio automáticamente para mantener el pH. Para niveles de cloruro superiores a 50 ppm, especifique titanio de grado 7. Durante la operación, inspeccione el calentador anualmente para detectar SCC usando tinte penetrante en soldaduras y dobleces. Al controlar el pH por encima del umbral crítico, el ingeniero reduce la densidad de corriente de pasivación y previene el agrietamiento por corrosión bajo tensión.
