El borat de sodi (Na₂B₄O₇) a una concentració del 8% i 95 graus s'utilitza com a agent amortidor i inhibidor de la corrosió. Els ions borat (B₄O₇²⁻) poden formar una pel·lícula protectora sobre el titani, però l'estabilitat d'aquesta pel·lícula depèn de la concentració de borat a la superfície metàl·lica. Sota l'escalfament cíclic, el gradient de temperatura a través de la capa límit fa que els ions borat migrin o precipitin. Es desenvolupa un gradient de concentració, amb una concentració més alta de borat a la solució a granel més freda i una concentració més baixa a la superfície del tub calent. Aquest gradient desestabilitza la pel·lícula passiva, donant lloc a un aprimament localitzat. La pel·lícula passiva es manté estable quan la concentració de borat a la superfície supera el 2%.

El mecanisme de formació del gradient de concentració de borat

Amb l'escalfament en estat estacionari-, els ions borat es difonen cap a la superfície calenta de titani, però la difusió tèrmica (efecte Soret) els allunya de la superfície calenta. L'efecte net és una capa límit esgotada, amb la concentració de borat a la superfície del tub un 10-30% més baixa que a la solució a granel. Durant l'escalfament cíclic (cicles d'encesa-apagat), el gradient de concentració oscil·la. Quan l'escalfador s'apaga, la superfície es refreda i els ions de borat es difonen cap a la superfície, provocant una passivació temporal. Quan l'escalfador torna a engegar-se, el gradient s'estableix-i la superfície s'esgota. Aquest esgotament i recuperació cíclic tensa la pel·lícula passiva, donant lloc a esquerdes i trencaments.

Estabilitat passiva quantitativa de la pel·lícula com a funció de la concentració de borat superficial

Les proves controlades amb un 8% de borat de sodi (concentració a granel) a 95 graus amb calefacció cíclica (1 hora encesa, 1 hora apagada) han establert l'estabilitat passiva de la pel·lícula per al titani de grau 2 a diferents concentracions de borat superficial. A una concentració superficial del 4-5% (enriquit), el gruix de la pel·lícula passiva és de 5-8 nm, la pel·lícula és estable i adherent i no es produeix cap picat després de 1.000 cicles. Al 3-4% (gairebé a granel), el gruix és de 3-5 nm, la pel·lícula és moderadament estable i es produeixen picades ocasionals després de 500 cicles. Al 2-3% (esgotament moderat), el gruix és de 2-4 nm, la pel·lícula mostra esquerdes i la picada s'inicia després de 200-400 cicles. A un 1-2% (esgotat), el gruix és d'1-3 nm, la pel·lícula és inestable i la picada es produeix en 50-200 cicles. Per sota de l'1%, la pel·lícula passiva falla completament i es produeix una corrosió uniforme entre 0,1 i 0,3 mm per any.

Influència de la concentració de borat i la freqüència del cicle en l'esgotament de la superfície

La gravetat de l'esgotament de la superfície depèn de la concentració de borat a granel i de la freqüència del cicle. Amb un 4% de borat a granel, la concentració superficial sota escalfament cíclic és del 2-3%, que és marginal. A un 6% a granel, la concentració superficial és del 3-4%, que és moderadament estable. A un 8% a granel (nominal), la concentració superficial és del 4-5%, que és estable. A un 10% a granel, la concentració superficial és del 5-6%, que és altament estable. Amb una freqüència de cicle de 6 cicles per hora (10 minuts encès, 10 minuts apagat), la concentració superficial és un 10-20% més baixa que amb 2 cicles per dia perquè la capa límit no té temps de recuperar-se.

Guia de gestió del cicle i concentració de borats per a escalfadors de titani

La taula següent ofereix recomanacions sobre la concentració de borat a granel i els paràmetres del cicle per mantenir l'estabilitat passiva de la pel·lícula en titani de grau 2 a 95 graus.

Enginyeria més enllà del control de la concentració

El grau de titani afecta l'estabilitat de la pel·lícula passiva sota gradients de concentració. El grau 7 (estabilitzat amb pal·ladi-) manté una pel·lícula estable a concentracions de borat superficial fins a l'1,5%, proporcionant un marge de seguretat més gran. El grau 12 ofereix una millora intermèdia. El gruix de la paret no afecta la pel·lícula passiva. La velocitat de calefacció importa; la rampa lenta (1 grau per minut) redueix el gradient de concentració en comparació amb la rampa ràpida (10 graus per minut). L'agitació de la solució (un mesclador o una bomba de recirculació) minimitza el gradient de concentració reduint el gruix de la capa límit.

Elaboració d'una especificació informada

Per a un escalfador de funda de titani amb un 8% de borat de sodi a 95 graus amb escalfament cíclic, mantingueu la concentració de borat a granel entre el 8 i el 10% per garantir una concentració superficial superior al 4% durant el cicle. Si la freqüència del cicle supera els 6 cicles per hora, augmenta la concentració a granel al 10%. Per als escalfadors existents amb inestabilitat de pel·lícula passiva (indicat per un consum d'energia erràtic o picat), afegiu borat per augmentar la concentració al 10% o reduir la freqüència del cicle. Durant el funcionament, controleu el pH; si el pH baixa per sota de 9, afegir hidròxid de sodi. Mitjançant el control del gradient de concentració de borat mitjançant una concentració a granel adequada i una freqüència de cicle reduïda, l'enginyer manté una pel·lícula passiva estable als escalfadors de titani.