เหตุใดการปนเปื้อนคาร์บอนบนพื้นผิวจากการผลิตน้ำมันหล่อลื่นจึงลดช่วงการสร้างฟิล์มของเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าไทเทเนียมในการให้บริการกรดไนตริก
ฝากข้อความ
กรดไนตริกเป็นสภาพแวดล้อมที่เกิดออกซิไดซ์อย่างแรง โดยที่ไทเทเนียมมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยมในช่วงศักยภาพที่กว้าง ฟิล์มพาสซีฟยังคงมีเสถียรภาพตั้งแต่ประมาณ 0V ถึงมากกว่า 1.8V เทียบกับ SCE อย่างไรก็ตาม การปนเปื้อนคาร์บอนบนพื้นผิว-ที่เกิดขึ้นระหว่างการวาดท่อ การดัดงอ หรือการเชื่อมจากสารหล่อลื่น สารหล่อเย็น หรือหมึกพิมพ์ที่ตกค้าง-ทำให้ช่วงการสร้างฟิล์มนี้แคบลงอย่างมาก สารตกค้างที่เป็นคาร์บอนจะสลายตัวที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดสภาวะรีดิวซ์เฉพาะจุดบนพื้นผิวไทเทเนียม บริเวณที่ลดลงเหล่านี้ไม่สามารถรักษาฟิล์มพาสซีฟ TiO₂ ได้ ทำให้ศักยภาพในท้องถิ่นเปลี่ยนไปสู่รูปแบบการกัดกร่อนแบบแอคทีฟ ผลที่ตามมาคือการโจมตีแบบเร่ง ซึ่งโดยทั่วไปจะปรากฏเป็นแถบสลักแยกกันหรือบริเวณที่เป็นหลุมซึ่งสอดคล้องกับรูปแบบการปนเปื้อน การทำความเข้าใจกลไกนี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการให้บริการกรดไนตริก โดยที่ความน่าเชื่อถือของเครื่องทำความร้อนขึ้นอยู่กับพื้นผิวที่สะอาดและสม่ำเสมอ
กลไกของคาร์บอน-การสลายความเฉื่อยที่เหนี่ยวนำ
สารหล่อลื่นในการผลิตโดยทั่วไปประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอน พาราฟินที่มีคลอรีน กรดไขมัน และสารเติมแต่งที่มีแรงดันสูง- ในระหว่างการใช้งานตามปกติ ฟิล์มบางของสารประกอบเหล่านี้จะยังคงอยู่บนพื้นผิวไทเทเนียมแม้ว่าจะขจัดคราบไขมันแล้วก็ตาม เมื่อเครื่องทำความร้อนแช่อยู่ในกรดไนตริกร้อน (เช่น 40–65% HNO₃ ที่ 80–100 องศา) จะเกิดผลกระทบสองประการ ขั้นแรก กรดไนตริกจะออกซิไดซ์คาร์บอนที่ตกค้าง ทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ อย่างไรก็ตาม ในภูมิภาคที่มีคาร์บอนหนา ปฏิกิริยาออกซิเดชันบางส่วนจะทำให้เกิดคาร์บอนมอนอกไซด์และกรดอินทรีย์ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ใช้กรดไนตริกในท้องถิ่นและลดโอกาสการเกิดออกซิเดชัน ประการที่สอง ปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบคายความร้อนของคาร์บอนจะทำให้อุณหภูมิพื้นผิวในท้องถิ่นเพิ่มขึ้น โดยเร่งการสลายตัวของกรดไนตริกไปเป็นไนโตรเจนออกไซด์ การรวมกันของกำลังออกซิไดซ์เฉพาะที่ที่ลดลงและอุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้เกิดสภาพแวดล้อมระดับจุลภาคโดยที่ศักยภาพของพื้นผิวไทเทเนียมลดลงต่ำกว่าเกณฑ์การสร้างฟิล์ม (ประมาณ 0.2V เทียบกับ SCE) การกัดกร่อนที่รุนแรงเริ่มต้นที่-พื้นที่ปนเปื้อนคาร์บอน ก่อตัวเป็นหลุมหรือร่องลึก
การลดเชิงปริมาณในช่วงการสร้างฟิล์มจากการปนเปื้อนคาร์บอน
การทดสอบเคมีไฟฟ้าที่มีการควบคุมใน 50% HNO₃ ที่ 85 องศา ได้กำหนดช่วงการทู่ของไทเทเนียมเกรด 2 ที่มีระดับคาร์บอนบนพื้นผิวที่แตกต่างกันดังต่อไปนี้:
ทำความสะอาดพื้นผิว (<0.1 mg/cm² carbon, properly degreased and acid pickled): Passivation range from 0.1V to >2.0V เทียบกับ SCE อัตราการกัดกร่อนต่ำกว่า 0.01 มม. ต่อปีในทุกศักยภาพในทางปฏิบัติ ไม่มีหลุมหลังจาก 1,000 ชั่วโมง
การปนเปื้อนเล็กน้อย (คาร์บอน 0.1–0.5 มก./ซม.² โดยทั่วไปการขจัดคราบไขมันแบบครั้งเดียว): ช่วงทู่ลดลงเหลือ 0.2–1.6V เทียบกับ SCE ที่ศักย์ไฟฟ้าที่สูงกว่า 1.6V (โดยทั่วไปสำหรับกรดไนตริกเข้มข้น) การสลายเฉพาะที่จะเริ่มที่ไซต์คาร์บอน ความลึกของการเจาะ 20–50 µm หลังจาก 500 ชั่วโมง
การปนเปื้อนปานกลาง (คาร์บอน 0.5–2.0 มก./ซม.² จากสารหล่อลื่นที่ตกค้าง): ช่วงทู่ลดลงอีกเป็น 0.3–1.2V เทียบกับ SCE สูงกว่า 1.2V การกัดกร่อนจะเกิดขึ้นในบริเวณที่มีการปนเปื้อน อัตราการกัดกร่อนที่จุดคาร์บอน 0.5–1.0 มม. ต่อปี การเจาะทะลุผนัง 1.0 มม. ภายใน 500–1,000 ชั่วโมง
Heavy contamination (>คาร์บอน 2.0 มก./ซม.² มีรอยเปื้อนหรือรอยนิ้วมือที่มองเห็นได้): ช่วงทู่แคบลงเหลือ 0.4–0.8V เทียบกับ SCE ที่ศักย์ของกรดไนตริกทั่วไป (1.0–1.4V) พื้นผิวจะเกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงในบริเวณที่มีการปนเปื้อน การโจมตีเฉพาะที่อย่างรวดเร็วด้วยอัตราการเจาะเกิน 2 มม. ต่อปี
คู่มือการควบคุมการปนเปื้อนคาร์บอนสำหรับบริการกรดไนตริก
ตารางต่อไปนี้เป็นกรอบการตัดสินใจสำหรับการระบุขั้นตอนการทำความสะอาดตามความเข้มข้นของกรดไนตริกและอุณหภูมิในการทำงาน:
| สภาวะการบริการกรดไนตริก | ขีดจำกัดคาร์บอนพื้นผิวที่ต้องการ | ขั้นตอนการทำความสะอาดที่แนะนำ | วิธีการตรวจสอบ |
|---|---|---|---|
| 40–50% HNO₃, 60–80 องศา , บริการมาตรฐาน | <0.5 mg/cm² | อัลคาไลน์ล้างไขมัน (60 องศา 10 นาที) + ล้างน้ำร้อน | การทดสอบการแตกตัวของน้ำ (ฟิล์มต่อเนื่อง) |
| 50–70% HNO₃, 80–100 องศา , สภาวะออกซิไดซ์ | <0.2 mg/cm² | การล้างไขมันด้วยอัลคาไลน์ + ทู่ทู่ของกรดไนตริก/กรดซิตริก (20% HNO₃, 50 องศา , 30 นาที) | การสกัดด้วยตัวทำละลาย + การวิเคราะห์แบบกราวิเมตริก (หนึ่งตัวอย่างต่อล็อต) |
| 70–90% HNO₃, 100–120 องศา , กรดควันสีแดง | <0.05 mg/cm² | การล้างไขมันด้วยไอ (ไตรคลอโรเอทิลีนหรือทางเลือกอื่น) + การทำความสะอาดอัลตราโซนิกในน้ำปราศจากไอออน + การดองกรดไนตริก | เอ็กซ์-เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี (XPS) สำหรับคาร์บอนบนพื้นผิว |
| การสัมผัสกรดไนตริกเป็นระยะๆ (รอบการทำความสะอาดเท่านั้น) | <0.3 mg/cm² | การขจัดไขมันด้วยด่างมาตรฐานก็เพียงพอแล้ว | การตรวจพินิจสำหรับแผ่นน้ำ |
| การใช้งานที่สำคัญซึ่งไม่สามารถยอมรับการเกิดรูพรุนได้ (กรดเกรดเซมิคอนดักเตอร์-) | <0.02 mg/cm² | การทำความสะอาดพลาสมาหรืออบด้วยสุญญากาศ-ออก (300 องศา 2 ชั่วโมง) หลังจากการขจัดไขมัน | การวิเคราะห์พื้นผิวออเกอร์อิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี (AES) |
วิศวกรรมที่เหนือกว่าการกำจัดคาร์บอนเพียงอย่างเดียว
ความหนาของผนังท่อจะเป็นปัจจัยด้านความปลอดภัยเมื่อเกิดรูพรุนที่เหนี่ยวนำให้เกิดคาร์บอน- ผนัง 1.5 มม. ที่มีการปนเปื้อนเล็กน้อยอาจอยู่รอดได้ 1,000 ชั่วโมงก่อนเจาะหลุม ในขณะที่ผนัง 0.8 มม. จะพังภายใน 300 ชั่วโมง เกรดโลหะพื้นฐานยังปรับเปลี่ยนความไวต่อแสงอีกด้วย: ไทเทเนียมเกรด 7 (0.15% Pd) มีช่วงฟิล์มที่กว้างกว่าบนพื้นผิวที่สะอาด แต่แสดงการหดตัวที่เกิดจากคาร์บอน-ที่คล้ายกัน ดังนั้นการเติมแพลเลเดียมจึงไม่ช่วยชดเชยการทำความสะอาดที่ไม่ดี สถานที่ที่มีความเสี่ยงมากที่สุดคือโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนในการเชื่อม-ซึ่งสารหล่อลื่นสำหรับดึงสามารถอบบนพื้นผิวระหว่างการเชื่อมได้ การทำความสะอาดหลังการเชื่อม-ด้วยแปรงลวดสเตนเลส (สำหรับไทเทเนียมเท่านั้น) จะช่วยขจัดการปนเปื้อนคาร์บอนออกจากรอยเชื่อม การจัดการหลังการทำความสะอาดต้องใช้ถุงมือผ้าฝ้ายที่สะอาดเพื่อป้องกันน้ำมันลายนิ้วมือซึ่งมีคาร์บอนและคลอไรด์
จัดทำข้อกำหนดเฉพาะ
เมื่อระบุเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าไทเทเนียมสำหรับการให้บริการกรดไนตริก ให้รวมข้อกำหนดด้านความสะอาดพื้นผิวไว้ในข้อกำหนดการจัดซื้อ กำหนดให้ส่วนประกอบไทเทเนียมทั้งหมดขจัดคราบไขมันที่เป็นด่างแล้วตามด้วยการดองด้วยกรด (20% HNO₃ + 2% HF เป็นเวลา 5 นาที แล้วล้างออกให้สะอาด) สำหรับกรดไนตริกเข้มข้นที่สูงกว่า 70% ที่อุณหภูมิสูง ให้ระบุว่าซัพพลายเออร์ทำการทดสอบเพื่อยืนยันการเกิดทู่: จุ่มคูปองตัวแทนลงในกรดไนตริกที่ต้องการที่อุณหภูมิใช้งานเป็นเวลา 24 ชั่วโมง จากนั้นตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์เพื่อหารูพรุนใดๆ ในระหว่างการทดสอบการใช้งาน ให้เติมระบบด้วย 20% HNO₃ ที่ 50 องศา และหมุนเวียนเป็นเวลา 2 ชั่วโมงเพื่อผ่านพื้นผิวทั้งหมดและกำจัดคาร์บอนที่หลงเหลืออยู่ ตรวจสอบสีของกรดไนตริก การเปลี่ยนสีเป็นสีเหลืองบ่งบอกถึงการก่อตัวของไนโตรเจนออกไซด์จากการเกิดออกซิเดชันของคาร์บอน ซึ่งเป็นสัญญาณว่าการทำความสะอาดไม่เพียงพอ ด้วยการควบคุมการปนเปื้อนของคาร์บอนที่พื้นผิวเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญ วิศวกรจึงมั่นใจได้ว่าเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมมีช่วงการสร้างฟิล์มเต็มช่วง และให้บริการที่เชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมของกรดไนตริกที่ออกซิไดซ์อย่างแรง
