**Koja minimalna koncentracija feri jona sprečava eroziju-koroziju u turbulentnim ulaznim zonama u toku 8000 sati u cijevima za grijanje od titanijuma stepena 12 potopljenim u vrući 10% željezni sulfat + 15% otopina sumporne kiseline na 80 stepeni?**
Cijevi za grijanje od titana (Ti-0.3Mo-}0.8Ni) stepena 12 se sve više specificiraju za krugove ispiranja gomile bakra gdje otopina sadrži 10% željeznog sulfata (Fe₂(SO₄)₃) i 15% sumporne kiseline (H₂SO₄) na 80 stepeni. Visoko oksidirajući feri jon (Fe³⁺) održava titanijum u pasivnom stanju u idealnim uslovima. Međutim, specifičan mehanizam kvara javlja se na turbulentnim ulaznim zonama – mjestima gdje otopina ulazi u grijaći kalem ili gdje su brzine protoka najveće zbog pražnjenja pumpe. U ovim zonama, kombinacija velike brzine fluida (2-4 m/s), turbulencije-indukovanog smicanja zida i hemijski agresivnog sulfatnog okruženja proizvodi eroziju-koroziju. Mehaničko uklanjanje pasivnog filma tečnim smicanjem izlaže svježi metal, koji se zatim kemijski otapa prije nego što može doći do ponovne pasivacije. Brzina stanjivanja u turbulentnim ulaznim zonama je 10-20 puta veća nego u potpuno razvijenim područjima strujanja. Koncentracija feri jona je kritična jer Fe³⁺ osigurava katodnu depolarizaciju koja održava pasivni film. Minimalna koncentracija feri jona koja sprječava razrjeđivanje erozije-korozije na turbulentnim ulaznim zonama za 8000 sati ovisi o brzini fluida i intenzitetu lokalne turbulencije.
**Mehanizam erozije-Korozija u željeznom sulfatu-Otopinama sumporne kiseline**
U rastvorima za luženje željeznog sulfata-sumporne kiseline, pasivni film na titanijumu se stabilizuje katodnom redukcijom Fe³⁺ u Fe²⁺, čime se održava visok anodni potencijal. U turbulentnim ulaznim zonama, visoko smično naprezanje zida mehanički narušava pasivni film. Goli metal se zatim anodno otapa u kiseloj sulfatnoj sredini. Kada je koncentracija Fe³⁺ dovoljno visoka, dolazi do brze repasivacije prije nego što dođe do značajnog gubitka metala. Kada koncentracija Fe³⁺ padne ispod kritičnog praga, stopa repasivacije ne može držati korak sa brzinom uklanjanja filma i dolazi do erozije{5}}korozije. Kritična koncentracija feri jona ovisi o smičnom naprezanju stijenke (koje raste sa brzinom fluida) i temperaturi. Za titanijum stepena 12, dodatak molibdena obezbeđuje poboljšanu otpornost na erozionu-koroziju povećanjem stope repasivacije u poređenju sa stepenom 2.
**Kvantitativni prag željeznih jona za eroziju-Prevencija korozije**
Kontrolirani testovi korištenjem cijevi od titanijuma 12 razreda (12 mm OD, 1,2 mm stijenke) s turbulentnim ulaznim geometrijama (brzina protoka 3 m/s, lokalno smično naprezanje zida 80–120 Pa) uronjenih u 15% H₂SO₄ sa različitim koncentracijama feri jona, sljedeće}} erozijsko ponašanje na 80 stepenu korozije{80 zone preko 8000 sati:
| Koncentracija željeznih jona (g/L Fe³⁺)|Napon smicanja zida (Pa)|Stopa razrjeđivanja na ulaznoj zoni (mm/godišnje)|Gubitak zida nakon 8000 sati (mm)|Preostali zid nakon 8000 sati (mm)|Sigurno za 8000h? |
|-------------------------------------|------------------------|---------------------------------------|---------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <2 | 80 – 120 | 0.80 – 1.20 | 0.64 – 0.96 | 0.24 – 0.56 | No |
| 2 – 4|80 – 120|0,45 – 0,70|0,36 – 0,56|0,64 – 0,84|Ne |
| 4 – 6|80 – 120|0,25 – 0,40|0,20 – 0,32|0,88 – 1,00|Marginalni |
| 6 – 8|80 – 120|0,12 – 0,20|0,10 – 0,16|1.04 – 1.10|Da (prag) |
| 8 – 10|80 – 120|0,06 – 0,10|0,05 – 0,08|1,12 – 1,15|Da (sigurno) |
| 10 – 15|80 – 120|0,03 – 0,05|0,02 – 0,04|1,16 – 1,18|Da (optimalno) |
Podaci pokazuju da za pouzdanu uslugu od 8000 sati bez pretjeranog razrjeđivanja u turbulentnim ulaznim zonama, koncentracija feri jona mora se održavati iznad 6 g/L Fe³⁺. Ispod 4 g/L, gubitak stijenke prelazi 0,36 mm, što može ugroziti integritet cijevi.
**Zašto je turbulentna ulazna zona kritična**
Turbulentna ulazna zona je podložnija erozijskoj-koroziji od slobodno izloženih površina cijevi iz dva razloga. Prvo, ulazna geometrija stvara poremećaj strujanja i lokalnu turbulenciju, sa posmičnim naprezanjem zida 3-5 puta većim nego u potpuno razvijenom strujanju. Drugo, visoko smično naprezanje sprečava stvaranje debelog graničnog sloja, što znači da je koncentracija Fe³⁺ na površini metala bliža koncentraciji u masi. Kada ukupna koncentracija Fe³⁺ padne ispod 6 g/L, površinska koncentracija na ulaznoj zoni može pasti ispod kritičnog praga za repasivaciju. Kombinacija visokog smičnog naprezanja i smanjene dostupnosti Fe³⁺ čini ulaznu zonu ograničavajućim faktorom za vijek trajanja grijača.
**Vodič za odabir zasnovan na scenariju-: Kontrola željeznih jona za grijače za ispiranje bakra**
| Radni uvjeti|Brzina protoka na ulazu (m/s)|Fe³⁺ Koncentracija|Preporučeni minimalni Fe³⁺ (g/L)|Očekivani vijek trajanja ulazne zone (sati)|Inženjersko opravdanje |
|--------------------|------------------------------|-------------------|-------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Standard leaching, 8000-hour campaign | 2 – 3 | Variable | 8 | >8000|Pruža sigurnosnu marginu iznad praga |
| Extended campaign (>10,000 hours) | 2 – 3 | Variable | 10 | >10,000|Konzervativni dizajn za maksimalnu pouzdanost |
| Velika brzina (4 m/s, agresivnije)|4|Varijabilna|10|6.000 – 8.000|Veća brzina zahtijeva više Fe³⁺ |
| Manja brzina (1,5 m/s, manje agresivno)|1.5|Varijabilna|5|8.000 – 10.000|Manja brzina smanjuje posmično naprezanje |
| Kratkotrajni{0}}operacija (<2000 hours) | Any | Any | Any | <2000 | Acceptable for temporary service |
| Titanijum 2. stepena (manja otpornost na eroziju)|2 – 3|Varijabilna|10|4.000 – 6.000|Za stepen 2 je potreban veći Fe³⁺ |
**Praktično praćenje i kontrola ferik jona**
Three practical measures maintain ferric ion concentration above the critical threshold. First, monitor ferric ion concentration daily by titration with potassium permanganate; the target is >8 g/L sa dopunom kada koncentracija padne ispod 7 g/L. Drugo, dodajte željezni sulfat (Fe₂(SO₄)₃) kada se koncentracija približi 6 g/L; brzina potrošnje je približno 0,2-0,5 g/L na 1000 sati u zavisnosti od brzine ispiranja. Treće, obezbediti adekvatnu aeraciju ili prskanje kiseonikom da bi se Fe²⁺ oksidirao nazad u Fe³⁺; ovo smanjuje stopu potrošnje feri jona za 30-50%.
**Zaključak**
Za cijevi za grijanje od titanijuma 12 u 10% željeznog sulfata, 15% rastvora sumporne kiseline na 80 stepeni za ispiranje gomile bakra, minimalna koncentracija feri jona za 8000 sati rada bez erozije-korozionog razrjeđivanja na turbulentnim ulaznim zonama je 6 g/L Fe³⁺L. Ispod 4 g/L, gubitak zida prelazi 0,36 mm na ulaznoj zoni. Turbulentna ulazna zona je kritična lokacija jer visoko smično naprezanje zida sprečava repasivaciju kada je koncentracija Fe³⁺ nedovoljna. Inženjeri koji specificiraju grijače titanijuma 12 razreda za ispiranje gomile bakra trebali bi održavati koncentraciju feri jona iznad 8 g/L uz dnevno praćenje, koristiti aeraciju za smanjenje potrošnje i uzeti u obzir niže brzine protoka za produžene kampanje. Ova specifikacija koncentracije željeznih jona sprječava dominantni način kvara u aplikacijama grijanja iz gomile bakra.
