Окисляющая среда HCl
Горячая соляная кислота, содержащая растворенные ионы железа, является одной из наиболее агрессивных промышленных сред. Ион хлорида разрушает пассивные пленки, а ион трехвалентного железа (Fe³⁺) действует как мощный окислитель, смещая коррозионный потенциал металлов в области, где их пассивные пленки становятся нестабильными. Большинство нержавеющих сталей и никелевых сплавов быстро корродируют. Даже титан, известный своей коррозионной стойкостью, имеет ограничения в этой среде.
Титан марки 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) был разработан для улучшения устойчивости технически чистого титана к восстанавливающим кислотам и хлоридным средам. Добавки молибдена и никеля повышают стабильность пассивной пленки и смещают потенциал коррозии. Это один из лучших титановых сплавов для работы с HCl.
ПТФЭ невосприимчив к HCl и хлориду железа во всех концентрациях и температурах до 260 градусов. Сравнение проводится между лучшим доступным титановым сплавом-с измеримой конечной коррозионной стойкостью-и полимером, который не подвержен коррозии в этой среде.
Ограничения по пассивной пленке из титана 12 класса
Титан класса 12 устойчив к HCl благодаря пассивной пленке TiO₂, модифицированной введением оксидов молибдена и никеля. Легирующие элементы повышают устойчивость пленки к воздействию хлоридов и сдвигают коррозионный потенциал сплава на более благородное значение, делая его менее восприимчивым к активной коррозии в восстановительных кислотах.
В чистой HCl при умеренных температурах хорошо себя проявляет класс 12. В 10% HCl при 70 градусах скорость коррозии ниже 0,05 мм/год. Однако добавление ионов железа меняет окружающую среду. Fe³⁺ — это окислитель, который может либо способствовать поддержанию пассивной пленки (обеспечивая катодный ток), либо ускорять коррозию за счет транспассивного растворения, в зависимости от его концентрации.
При низких концентрациях Fe³⁺ (10-100 ppm) ион трехвалентного железа полезен — он укрепляет пассивную пленку, обеспечивая катодную поляризацию. При более высоких концентрациях (примерно выше 500 ppm) повышенный коррозионный потенциал переводит титан в транспассивную область, где оксидная пленка становится нестабильной и растворяется. Скорость коррозии может увеличиться на порядок и более.
| Параметр коррозии | Титан 12 класса | ПТФЭ |
|---|---|---|
| Скорость коррозии в 10% HCl, 70 градусов, 0 ppm Fe³⁺ (мм/год) | < 0.05 | 0 |
| Скорость коррозии в 10% HCl, 70 градусов, 500 ppm Fe³⁺ | 0.1-0.3 | 0 |
| Скорость коррозии в 10% HCl, 70 градусов, 2000 ppm Fe³⁺ | 0.5-1.5 | 0 |
| Чувствительность к концентрации Fe³⁺ | Высокий (полезно при низком, вредно при высоком) | Никто |
| Чувствительность к температуре | Высокий (ставка удваивается на 15 градусов) | Нет (ниже 260 градусов) |
| Коррозия зоны сварки | Возможно (сегрегация Mo, Ni) | Н/Д (без сварных швов) |
Сценарий экскурсии Fe³⁺
При использовании промышленной HCl концентрация ионов трехвалентного железа может неожиданно меняться. Загрязнение железом из-за коррозии стальных трубопроводов на входе растворяется в кислоте и окисляется до Fe³⁺. Нарушение процесса может привести к попаданию в теплообменник кислоты, богатой железом-. Концентрация Fe³⁺ резко возрастает от почти нуля до нескольких сотен или тысяч частей на миллион. Титановый теплообменник класса 12, который безопасно работал в режиме низкого -Fe³⁺, во время отклонения внезапно подвергается ускоренной коррозии.
Коррозионное повреждение в результате отклонения может быть не сразу заметно. Пассивная пленка, однажды дестабилизированная, может не полностью репассивироваться, когда концентрация Fe³⁺ вернется к норме. Ямы, образовавшиеся во время экскурсии, продолжают размножаться. Через несколько недель или месяцев обменник выходит из строя, и отказ объясняют «необъяснимой точечной коррозией».
ПТФЭ не имеет пассивной дестабилизирующей пленки. Отклонение Fe³⁺ любой величины оставляет материал неизменным. Сотая экскурсия сохранилась так же полностью, как и первая.
Сводная информация о стоимости-производительности
Теплообменники из титана класса 12 стоят в 6-10 раз дороже, чем эквиваленты из ПТФЭ. Премиальная стоимость компенсирует компактность: теплопроводность титана 21 Вт/м·К требует меньшей площади поверхности, чем ПТФЭ. В процессах, где Fe³⁺ гарантированно отсутствует или поддерживается в приемлемом диапазоне, хорошо подходит титан класса 12.
Если концентрация Fe³⁺ непостоянна, плохо контролируется или подвержена отклонениям, ПТФЭ является выбором с меньшим-риском. Стоимость одного отклонения, приводящего к разрушению титанового теплообменника, может превышать общую стоимость установки замены ПТФЭ.
Краткое содержание
Теплообменники из ПТФЭ безусловно устойчивы к HCl с растворенными ионами железа, а титан класса 12 подвергается ускоренной коррозии, когда концентрация Fe³⁺ превышает примерно 500 ppm. Устойчивость ПТФЭ к отклонению Fe³⁺ абсолютна. ПТФЭ – выбор с меньшим-риском при работе с HCl, где возможно загрязнение железом.
Инженерная поддержка при выборе материала ПТФЭ или титана в сервисе HCl-FeCl₃ доступна после предоставления данных о концентрации кислоты, диапазоне ионов трехвалентного железа, рабочей температуре и текущей истории коррозии оборудования.
