In sodium metasilicate (Na₂SiO₃) solutions at 80°C, silicate ions polymerize on titanium surfaces. At pH >11 bildar silikatet en kontinuerlig, icke-porös, skyddande film med en tjocklek på 0,5–2 µm. Vid pH 9 är filmen porös, sprucken och icke-skyddande, vilket tillåter klorid eller andra aggressiva arter att penetrera och orsaka gropbildning. Skillnaden beror på polymerisationstillståndet för silikatjoner. Vid högt pH existerar silikat som monomera SiO44-joner som bildar en tät, glasartad film. Vid lägre pH polymeriserar silikat till kolloidala kedjor som ger en porös, sprucken struktur.

Mekanismen för pH-beroende silikatfilmbildning

The polymerization of silicate ions follows: SiO₄⁴⁻ + H₂O → HSiO₄³⁻ + OH⁻. At high pH (>11), gynnar jämvikten monomera joner, som avsätts som en tät amorf kiseldioxidfilm. Vid pH 9–10 polymeriserar jonerna till -kedjeliknande strukturer som skapar ett poröst nätverk. Filmen innehåller även natriumjoner och bildar ett natriumsilikatglas. Den skyddande kvaliteten bestäms av filmens densitet och frånvaron av mikro-sprickor.

Kvantitativ filmkvalitet som en funktion av pH

Kontrollerad testning i 10 % Na₂SiO₃ vid 80 grader under 500 timmar har fastställt följande för grad 2 titan. Vid pH 8 är filmtjockleken 0,1–0,3 µm, filmporositeten är hög, korrosionshastigheten är 0,15–0,30 mm per år och gropfrätning förekommer. Vid pH 9 är tjockleken 0,2–0,5 µm, porositeten är hög, korrosionshastigheten är 0,08–0,20 mm per år och gropfrätning är enstaka. Vid pH 10 är tjockleken 0,5–1,0 µm, porositeten måttlig, korrosionshastigheten är 0,04–0,10 mm per år och gropfrätning är sällsynt. Vid pH 11 är tjockleken 1,0–1,5 µm, porositeten är låg, korrosionshastigheten är 0,02–0,05 mm per år och ingen gropfrätning förekommer. Vid pH 12 är tjockleken 1,5–2,5 µm, porositeten är mycket låg, korrosionshastigheten är 0,01–0,03 mm per år och ingen gropfrätning förekommer. Vid pH 13 är tjockleken 2,0–3,0 µm, porositeten är mycket låg, korrosionshastigheten är 0,005–0,015 mm per år och ingen gropfrätning förekommer.

Temperaturens inverkan på pH-kravet

Det lägsta pH som krävs för en skyddsfilm ökar med temperaturen. Vid 60 grader är det lägsta pH-värdet 10,5 och det rekommenderade pH-värdet är 11,0. Vid 80 grader är minimum 11,0 och det rekommenderade är 11,5. Vid 100 grader är minimum 11,5 och det rekommenderade är 12,0. Vid 120 grader är minimum 12,0 och det rekommenderade är 12,5. Högre temperaturer främjar silikatpolymerisation, vilket kräver ett högre pH för att bibehålla det monomera tillståndet.

pH-kontrollguide för natriummetasilikatservice

Följande tabell ger rekommendationer för pH-kontroll för att bibehålla en skyddande silikatfilm på titanvärmare av grad 2 i 10 % natriummetasilikat vid 80 grader.

Engineering Beyond pH Control

Titankvaliteten påverkar det erforderliga pH-värdet. Grad 7 (palladium-stabiliserad) bildar en skyddande silikatfilm vid pH 10,5–11,0, något lägre än grad 2. Grad 12 har liknande beteende som grad 2. Väggtjocklek ger en korrosionstillåten om filmen inte är helt skyddande. Silikatkoncentrationen påverkar filmbildningen; vid 5 % Na2SiO3 är det erforderliga pH-värdet 11,5. Vid 15 % Na2SiO3 är det erforderliga pH-värdet 10,5. Närvaron av klorider (från föroreningar) ökar det erforderliga pH-värdet med 0,5–1,0 enheter. Lösningen bör övervakas med en pH-mätare som är kalibrerad för lösningar med högt -pH.

Att göra en informerad specifikation

För en doppvärmare av titan i 10 % natriummetasilikat vid 80 grader, håll pH över 11,0 genom att tillsätta natriumhydroxid. Installera en pH-regulator med larm inställt på 10,8 och förregling på 10,5. För befintliga system med pH under 11, tillsätt NaOH för att höja pH till 11,5. Om pH inte kan höjas, använd Grade 7 titanium eller sänk temperaturen till 60 grader. Under drift, inspektera värmarens yta för gropfrätning; om gropfrätning observeras, höj pH omedelbart. Genom att kontrollera pH över 11 säkerställer ingenjören bildandet av en skyddande, icke{13}}porös silikatfilm på titan.