**U cijevima od titana za grijanje stupnja 12 uronjenim u vruću otopinu za ispiranje 10% željeznog sulfata + 15% sumporne kiseline na 80 stupnjeva za ispiranje hrpe bakra, koja minimalna koncentracija iona željeza sprječava eroziju-razrjeđivanje korozije u turbulentnim ulaznim zonama tijekom 8000 sati?**
Titanijske (Ti-0,3Mo-0,8Ni) grijaće cijevi stupnja 12 sve se više specificiraju za krugove ispiranja hrpe bakra gdje otopina sadrži 10% željeznog sulfata (Fe₂(SO₄)3) i 15% sumporne kiseline (H₂SO₄) na 80 stupnjeva. Visoko oksidirajući željezni ion (Fe³⁺) održava titan u pasivnom stanju pod idealnim uvjetima. Međutim, specifični mehanizam kvara događa se u turbulentnim ulaznim zonama – mjestima gdje otopina ulazi u grijaću spiralu ili gdje su brzine protoka najveće zbog pražnjenja pumpe. U tim zonama, kombinacija velike brzine tekućine (2–4 m/s), turbulencijom-naprezanja smicanja stijenke i kemijski agresivnog sulfatnog okruženja proizvodi eroziju-koroziju. Mehaničko uklanjanje pasivnog filma smicanjem tekućine izlaže svježi metal, koji se zatim kemijski otapa prije nego što može doći do ponovne pasivizacije. Stopa razrjeđivanja u turbulentnim ulaznim zonama je 10-20 puta veća nego u potpuno razvijenim područjima protoka. Koncentracija feri iona je kritična jer Fe³⁺ osigurava katodnu depolarizaciju koja održava pasivni film. Minimalna koncentracija feri iona koja sprječava erozijsko-korozijsko stanjivanje u turbulentnim ulaznim zonama tijekom 8000 sati ovisi o brzini fluida i lokalnom intenzitetu turbulencije.
**Mehanizam erozije-korozije u željeznom sulfatu-otopinama sumporne kiseline**
U otopinama za ispiranje željezovog sulfata-sumporne kiseline, pasivni film na titanu stabiliziran je katodnom redukcijom Fe³⁺ u Fe²⁺, čime se održava visok anodni potencijal. U turbulentnim ulaznim zonama, visoko smično naprezanje stijenke mehanički ometa pasivni film. Goli metal se zatim otapa anodno u kiselom sulfatnom okruženju. Kada je koncentracija Fe³⁺ dovoljno visoka, dolazi do brze repasivacije prije značajnog gubitka metala. Kada koncentracija Fe³⁺ padne ispod kritičnog praga, stopa repasivacije ne može pratiti stopu uklanjanja filma i dolazi do erozije-korozije. Kritična koncentracija feri iona ovisi o naprezanju smicanja stijenke (koje raste s brzinom fluida) i temperaturi. Za titan stupnja 12, dodatak molibdena pruža povećanu otpornost na eroziju-koroziju povećanjem stope repasivacije u usporedbi s stupnjem 2.
**Kvantitativni prag željeznih iona za eroziju-sprečavanje korozije**
Kontrolirani testovi koji koriste cijevi od titana stupnja 12 (12 mm OD, 1,2 mm stijenke) s turbulentnom ulaznom geometrijom (brzina protoka 3 m/s, lokalno smicanje stijenke 80-120 Pa) uronjenih u 15% H₂SO₄ s različitim koncentracijama željeznih iona na 80 stupnjeva pokazuju sljedeće erozije-korozivno stanjivanje na ulazu zone preko 8000 sati:
| Koncentracija željeznih iona (g/L Fe³⁺)|Smični napon zida (Pa)|Stopa razrjeđivanja u ulaznoj zoni (mm/godina)|Gubitak stijenke nakon 8000 sati (mm)|Preostali zid nakon 8000 sati (mm)|Sigurno 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 se za pouzdan rad od 8000 sati bez pretjeranog razrjeđivanja u turbulentnim ulaznim zonama, koncentracija željeznih iona mora održavati iznad 6 g/L Fe³⁺. Ispod 4 g/L, gubitak stijenke prelazi 0,36 mm, što može ugroziti cjelovitost cijevi.
**Zašto je turbulentna ulazna zona kritična**
Turbulentna ulazna zona podložnija je eroziji-koroziji nego slobodno izložene površine cijevi iz dva razloga. Prvo, ulazna geometrija stvara poremećaj protoka i lokalnu turbulenciju, s naprezanjem smicanja stijenke 3-5 puta većim nego u potpuno razvijenom protoku. Drugo, visoko smično naprezanje sprječava stvaranje debelog graničnog sloja, što znači da je koncentracija Fe³⁺ na metalnoj površini bliža koncentraciji mase. Kada skupna koncentracija Fe³⁺ padne ispod 6 g/L, površinska koncentracija u ulaznoj zoni može pasti ispod kritičnog praga za repasivaciju. Kombinacija visokog smičnog naprezanja i smanjene dostupnosti Fe³⁺ čini ulaznu zonu ograničavajućim čimbenikom za vijek trajanja grijača.
**Vodič za odabir na temelju-scenarija: Kontrola željeznih iona za grijače za ispiranje hrpe bakra**
| Radni uvjet|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 granicu 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|Varijabla|10|6 000 – 8 000|Veća brzina zahtijeva više Fe³⁺ |
| Manja brzina (1,5 m/s, manje agresivno)|1,5|Varijabla|5|8 000 – 10 000|Niža brzina smanjuje smično naprezanje |
| Kratkoročna-operacija (<2000 hours) | Any | Any | Any | <2000 | Acceptable for temporary service |
| Titan stupnja 2 (manja otpornost na eroziju)|2 – 3|Varijabla|10|4 000 – 6 000|Stupanj 2 zahtijeva više Fe³⁺ |
**Praktično praćenje i kontrola željeznih iona**
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 uz nadopunjavanje kada koncentracija padne ispod 7 g/L. Drugo, dodajte željezni sulfat (Fe₂(SO₄)3) kada se koncentracija približi 6 g/L; stopa potrošnje je otprilike 0,2–0,5 g/L na 1000 sati, ovisno o brzini ispiranja. Treće, osigurajte odgovarajuću aeraciju ili raspršivanje kisika za oksidaciju Fe²⁺ natrag u Fe3⁺; to smanjuje stopu potrošnje feri iona za 30-50%.
**Zaključak**
Za titanijske grijaće cijevi stupnja 12 u 10% željeznom sulfatu, 15% otopini sumporne kiseline za ispiranje na 80 stupnjeva za ispiranje hrpe bakra, minimalna koncentracija željeznih iona za 8000 sati rada bez erozije-razrjeđivanja korozije u turbulentnim ulaznim zonama je 6 g/L Fe³⁺. Ispod 4 g/L gubitak stijenke prelazi 0,36 mm na ulaznoj zoni. Turbulentna ulazna zona je kritična lokacija jer visoko smično naprezanje stijenke sprječava repasivaciju kada je koncentracija Fe³⁺ nedovoljna. Inženjeri koji specificiraju titanske grijače stupnja 12 za ispiranje hrpe bakra trebali bi održavati koncentraciju željeznih iona iznad 8 g/L uz dnevno praćenje, koristiti prozračivanje za smanjenje potrošnje i razmotriti niže brzine protoka za produžene kampanje. Ova specifikacija koncentracije željeznih iona sprječava dominantni način kvara u primjenama grijanja ispiranjem hrpe bakra.
