Prečo titánový ponorný ohrievač s navareným koncovým uzáverom zlyhá v dôsledku štrbinovej korózie na koreni zvaru rýchlejšie ako pri všeobecnom riedení v 5 % roztoku chlórnanu sodného pri 60 stupňoch?

5% chlórnan sodný (NaOCl) pri 60 stupňoch je silné oxidačné činidlo a titán má nízku rovnomernú rýchlosť korózie 0,01–0,05 mm za rok. Ponorný ohrievač má však trhlinu na zvarovom koreni privareného koncového uzáveru - priestor medzi koncovým uzáverom a stenou rúrky na vnútornej strane ohrievača. Táto geometria trhliny zachytáva stacionárny elektrolyt. V štrbine sa chlórnan rozkladá na chlorid a kyslík a chloridy sa koncentrujú na 5-10-násobok celkovej koncentrácie. Vo vnútri trhliny sa pasívny povlak zničí a rýchlosť korózie sa zvýši na 0,3–1,0 mm za rok, čo je 10–100-krát rýchlejšie ako rovnomerné riedenie. Porucha sa vyskytuje predovšetkým v koreni zvaru, často bez zjavnej vonkajšej korózie.

Mechanizmus štrbinovej korózie na koreni zvaru v chlórnane

Oxidačné podmienky v objemovom roztoku chlórnanu vedú k vytvoreniu stabilného pasívneho filmu. Geometria štrbiny koreňa zvaru je obmedzená, takže doplnenie kyslíka nie je možné. Chlórnan sa rozkladá: 2OCl - → O 2 + 2Cl - . Koncentrácia chloridov sa zvyšuje a kyslík sa spotrebúva. Keď sa tvorí kyselina chlórna, lokálne pH sa znižuje. Kombinácia vysokého obsahu chloridov, nízkeho obsahu kyslíka a nízkeho pH je pre pasívny film škodlivá. Veľká vonkajšia katóda (zvyšok ohrievača) vytvára rýchle anodické rozpúšťanie v trhline. Geometria koreňa zvaru obsahuje aj zvyškové ťahové napätie zo zvárania, ktoré prispieva k iniciácii lomu.

Kvantitatívne rýchlosti korózie štrbiny na koreni zvaru

Corrosion rates for Grade 2 titanium at different heater positions were determined using controlled tests in 5% NaOCl at 60°C for 1,000 hours. The tube body (smooth surface, no crevice) is uniformly corroded at a rate of 0.01–0.03 mm year−1 and the surface is bright, without pitting. For the outer weld toe (the outside of the welded end cap), the corrosion rate is 0.02~0.05 mm per year and mild etching is seen on the surface. For the weld root crevice (inner gap of 0.1–0.3 mm) crevice corrosion rate is 0.3–0.8 mm per year, considerable grooving is observed, and perforation of a 1.2 mm wall takes place in 1,500–4,000 hours. When the end cap is inadequately fitted (gap >0,5 mm) na koreni zvaru sa rýchlosť štrbinovej korózie zvyšuje na 0,5–1,2 mm/rok a k perforácii dochádza medzi 1000–2500 hodinami.

Vplyv koncentrácie chlórnanu a teploty na závažnosť štrbinovej korózie

Závažnosť korózie štrbinového koreňa zvaru stúpa s obsahom chlórnanu a teplotou. Rýchlosť štrbinovej korózie pri 60 stupňoch a 1 % NaOCl bola 0,15–0,40 mm/rok. Rýchlosť je 0,30-0,80 mm/rok pri 5 % a 60 stupňoch. Sadzba je 0,50 – 1,20 mm za rok pri 10 % a 60 stupňoch. Pri 5 % a 40 stupňoch je miera 0,10–0,25 mm za rok. Pri 5 % a 80 stupňoch sa rýchlosť zvyšuje na 0,50 až 1,00 mm ročne-1 . Zahrnutie chloridov do roztoku chlórnanu (z bieliaceho prostriedku) zvyšuje rýchlosť štrbinovej korózie o ďalších 30 – 50 %.

Príručka pre návrh a zmiernenie vplyvov chlóru

Nasledujúca tabuľka uvádza návrhy pre návrh zvaru koncového uzáveru a alternatívne návrhy na zabránenie štrbinovej korózie v 5 % chlórnane sodnom pri 60 stupňoch.

Dizajn zvaru Medzera (mm) Predpokladaná miera korózie štrbiny (mm/rok)1,2 mm Čas do perforácie steny (hodiny) Rada
Zvar s úplným prienikom, zarovnanie so zemou 0 (bez štrbiny)<0.05 >10 000 osvedčených postupov
Čiastočný penetračný zvar, medzera<0.1 mm <0.1 0.15-0.35 3,500-8,000Acceptable for inspection
Zvar s čiastočným prienikom, medzera 0,1-0,3 mm 0.1-0.3 0.30-0.80 1500-4000 Okraj
Prekrytý zvar (kryt cez rúrku), medzera 0,3–0,5 mm 0,3–0.5 0.50–1.00 1,200–2500 Neodporúča sa
Tupý zvar s oporným krúžkom 0,2–0.4 0.40–0.90 1,300–3000 Vyhnite sa inžinierstvu nad rámec návrhu zvaru

Titánová trieda má vplyv na odolnosť proti štrbinovej korózii. Stupeň 7 (paládium{2}}stabilizovaný) má 3-5 krát dlhší čas spustenia a o 50-70 % nižšiu rýchlosť šírenia ako Stupeň 2 v štrbinách chlórnanu. Stupeň 12 je stredné zlepšenie. Hrúbka steny dáva priestor v materiáli . 2.0 mm stena so štrbinovou koróziou 0,5 mm za rok má životnosť 4 roky. Koncový uzáver musí byť navrhnutý ako tupý zvar s úplným prienikom a zarovnaný so zemou zvnútra aj zvonka. Ak sa štrbine nedá vyhnúť, priestor sa utesní PTFE páskou alebo fluoropolymérovým tesnením, aby sa zabránilo vniknutiu elektrolytu. Koncentrácia chlórnanu v štrbinách sa znižuje pravidelným preplachovaním ohrievača čerstvou vodou.

Špecifickosť s istotou

V prípade titánového ponorného ohrievača v 5 % chlórnane sodnom pri 60 stupňoch špecifikujte tupý zvar s úplným prienikom pre koncový uzáver, zabrúsený na vnútornej a vonkajšej strane, aby sa dosiahla geometria bez štrbín. Ak nie je možné vykonať zváranie s úplným prevarením, mala by byť špecifikovaná minimálna medzera koreňa zvaru menšia ako 0,1 mm a mala by sa vyžadovať kontrola po zvaru, aby sa potvrdila veľkosť medzery. Pre kritické aplikácie by mal byť špecifikovaný titán triedy 7 a mala by sa vykonať skúška netesnosti héliom na kontrolu integrity zvaru. Štvrťročne kontrolujte oblasť zvaru počas prevádzky boroskopom alebo farbivom. Ak sú vo zvare viditeľné produkty korózie, vymeňte ohrievač. Návrh koreňa zvaru{11}}bez štrbín odstraňuje mechanizmus rýchlej korózie, čo umožňuje ohrievaču dosiahnuť životnosť obmedzenú iba rovnomerným riedením.