**Яка мінімальна концентрація іонів заліза запобігає ерозії-розрідженню корозії в турбулентних вхідних зонах протягом 8000 годин у титанових нагрівальних трубах 12 класу, занурених у гарячий 10% розчин сульфату заліза + 15% сірчаної кислоти при 80 градусах для купчастого вилуговування міді?**
Нагрівальні трубки з титану 12 класу (Ti-0,3Mo-0,8Ni) все частіше використовуються для схем купового вилуговування міді, де розчин містить 10% сульфату заліза (Fe₂(SO₄)3) та 15% сірчаної кислоти (H₂SO₄) при 80 градусах. Іон заліза (Fe³⁺) з високим ступенем окислення підтримує титан у пасивному стані в ідеальних умовах. Однак у турбулентних впускних зонах виникає певний механізм відмови – у місцях, де розчин потрапляє в нагрівальний змійовик або де швидкість потоку найвища через випуск насоса. У цих зонах поєднання високої швидкості рідини (2–4 м/с), напруги зсуву стінки,-спричиненої турбулентністю, та хімічно агресивного сульфатного середовища спричиняє ерозію та корозію. Механічне видалення пасивної плівки за допомогою рідинного зсуву оголює свіжий метал, який потім хімічно розчиняється перед тим, як може відбутися репасивація. Швидкість розрідження в зонах турбулентного входу в 10–20 разів вища, ніж у повністю розвинених областях течії. Концентрація іонів заліза є критичною, оскільки Fe³⁺ забезпечує катодну деполяризацію, яка підтримує пасивну плівку. Мінімальна концентрація іонів заліза, яка запобігає ерозійно-корозійному розрідженню в турбулентних входних зонах протягом 8000 годин, залежить від швидкості рідини та локальної інтенсивності турбулентності.
**Механізм ерозії-корозії в розчинах сульфату заліза-сірчаної кислоти**
У розчинах для вилуговування сірчаною кислотою сульфату заліза- пасивна плівка на титані стабілізується катодним відновленням Fe³⁺ до Fe²⁺, що підтримує високий анодний потенціал. У турбулентних входних зонах високе напруження зсуву стінки механічно руйнує пасивну плівку. Голий метал потім розчиняється анодно в кислому сульфатному середовищі. Коли концентрація Fe³⁺ є достатньо високою, відбувається швидка репасивація до значної втрати металу. Коли концентрація Fe³⁺ падає нижче критичного порогу, швидкість репасивації не встигає за швидкістю видалення плівки, і виникає ерозія-корозія. Критична концентрація іонів заліза залежить від напруги зсуву стінки (яка зростає зі швидкістю рідини) і температури. Для титану класу 12 додавання молібдену забезпечує підвищену стійкість до ерозії-корозії за рахунок збільшення швидкості репасивації порівняно з класом 2.
**Кількісний поріг іонів заліза для ерозії-запобігання корозії**
Контрольовані випробування з використанням титанових трубок класу 12 (внутрішній діаметр 12 мм, стінка 1,2 мм) з турбулентною геометрією входу (швидкість потоку 3 м/с, локальна напруга зсуву стінки 80–120 Па), занурених у 15% H₂SO₄ із змінною концентрацією іонів заліза при 80 градусах, показали такі ерозійні-корозійні потоншення на вході зони понад 8000 годин:
| Концентрація іонів заліза (г/л Fe³⁺)|Напруга зсуву стінки (Па)|Швидкість розрідження в зоні входу (мм/рік)|Втрата стінки після 8000 годин (мм)|Стіна, що залишилася після 8000 годин (мм)|Безпечно протягом 8000 годин? |
|-------------------------------------|------------------------|---------------------------------------|---------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <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|Ні |
| 4 – 6|80 – 120|0,25 – 0,40|0,20 – 0,32|0,88 – 1,00|Маргінальний |
| 6 – 8|80 – 120|0,12 – 0,20|0,10 – 0,16|1.04 – 1.10|Так (поріг) |
| 8 – 10|80 – 120|0,06 – 0,10|0,05 – 0,08|1.12 – 1.15|Так (безпечно) |
| 10 – 15|80 – 120|0,03 – 0,05|0,02 – 0,04|1.16 – 1.18|Так (оптимальний) |
Дані демонструють, що для надійної 8000-годинної роботи без надмірного розрідження в турбулентних зонах входу концентрація іонів заліза повинна підтримуватися вище 6 г/л Fe³⁺. Нижче 4 г/л втрата стінки перевищує 0,36 мм, що може порушити цілісність трубки.
**Чому турбулентна вхідна зона є критичною**
Турбулентна впускна зона більш сприйнятлива до ерозії-корозії, ніж вільно відкриті поверхні труби з двох причин. По-перше, геометрія вхідного отвору створює порушення потоку та місцеву турбулентність із напругою зсуву стінки в 3–5 разів вищим, ніж у повністю розвиненому потоці. По-друге, висока напруга зсуву запобігає утворенню товстого прикордонного шару, що означає, що концентрація Fe³⁺ на поверхні металу ближча до об’ємної концентрації. Коли масова концентрація Fe³⁺ падає нижче 6 г/л, поверхнева концентрація у зоні входу може впасти нижче критичного порогу для репасивації. Поєднання високої напруги зсуву та зниженої доступності Fe³⁺ робить зону входу обмежуючим фактором для терміну служби нагрівача.
**Посібник із вибору-на основі сценарію: контроль іонів заліза для нагрівачів купального вилуговування міді**
| Експлуатаційний стан|Швидкість потоку на вході (м/с)|Концентрація Fe³⁺|Рекомендований мінімум Fe³⁺ (г/л)|Очікуваний термін служби вхідної зони (годин)|Інженерне обґрунтування |
|--------------------|------------------------------|-------------------|-------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Standard leaching, 8000-hour campaign | 2 – 3 | Variable | 8 | >8000|Забезпечує запас надійності вище порогового |
| Extended campaign (>10,000 hours) | 2 – 3 | Variable | 10 | >10 000|Консервативна конструкція для максимальної надійності |
| Висока швидкість (4 м/с, більш агресивна)|4|Змінна|10|6000 – 8000|Вища швидкість вимагає більше Fe³⁺ |
| Менша швидкість (1,5 м/с, менш агресивна)|1,5|Змінна|5|8 000 – 10 000|Менша швидкість зменшує напругу зсуву |
| Короткострокова-операція (<2000 hours) | Any | Any | Any | <2000 | Acceptable for temporary service |
| Титан 2 класу (менша стійкість до ерозії)|2 – 3|Змінна|10|4000 – 6000|Ступінь 2 вимагає вищого Fe³⁺ |
**Практичний моніторинг і керування залізом**
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 г/л з поповненням, коли концентрація падає нижче 7 г/л. По-друге, додайте сульфат заліза (Fe₂(SO₄)3), коли концентрація наближається до 6 г/л; норма витрати становить приблизно 0,2–0,5 г/л на 1000 годин залежно від швидкості вимивання. По-третє, забезпечте відповідну аерацію або подачу кисню для окислення Fe²⁺ назад до Fe3⁺; це зменшує витрату іонів заліза на 30–50%.
**Висновок**
Для титанових нагрівальних труб 12 класу в 10% сульфату заліза, 15% розчині сірчаної кислоти при 80 градусах для купчастого вилуговування міді мінімальна концентрація іонів заліза протягом 8000 годин роботи без ерозії-розрідження корозії в турбулентних зонах входу становить 6 г/л Fe³⁺. Нижче 4 г/л втрата стінки перевищує 0,36 мм у зоні входу. Турбулентна впускна зона є критичним місцем, тому що висока напруга зсуву стінки запобігає репасивації, коли концентрація Fe³⁺ недостатня. Інженери, які встановлюють титанові нагрівачі 12 класу для кучового вилуговування міді, повинні підтримувати концентрацію іонів заліза вище 8 г/л із щоденним моніторингом, використовувати аерацію для зменшення споживання та розглядати менші швидкості потоку для тривалих кампаній. Ця специфікація концентрації іонів заліза запобігає домінуючому режиму відмови в системах нагрівання кучового вилуговування міді.
