Prečo prítomnosť častíc hrdze z uhlíkovej ocele proti prúdu výrazne urýchľuje galvanickú koróziu koncového uzáveru titánového ohrievača v slanom náleve?

Titánové ponorné ohrievače sa zvyčajne používajú v systémoch soľanky s predradeným potrubím z uhlíkovej ocele, nádržami alebo výmenníkmi tepla. V slanom náleve uhlíková oceľ podlieha prirodzenej korózii, pri ktorej vznikajú častice hrdze, väčšinou oxidy železa (Fe2O3, Fe3O4) a oxyhydroxidy. Tieto častice sú transportované prúdom soľanky a nakoniec sa ukladajú na povrchy v systéme, ako je koncový uzáver titánového ohrievača. Koncový uzáver je zvyčajne zváraný uzáver na konci ohrievacej trubice, často vyrobený z rovnakého titánu, ale s inou povrchovou úpravou. V elektrolyte (soľanke) tvoria častice hrdze, ktoré sa ukladajú na titán, galvanický článok. V chloridových roztokoch je hrdza elektrochemicky ušľachtilá na titán s pokojovým potenciálom 200–400 mV pozitívnejším. Výsledkom je rýchla lokalizovaná korózia titánu obklopujúceho každú časticu hrdze, čo vedie k jamkovej korózii a prípadnej perforácii koncového uzáveru.

Elektrochemický mechanizmus galvanickej korózie vyvolanej hrdzou

Titán v 3–5 % soľanke NaCl má pasívny potenciál približne +0.1 až +0.3 V oproti Ag/AgCl vďaka svojej vrstve TiO₂. Častice hrdze, najmä magnetit (Fe3O4), sú polovodivé a majú zmiešaný potenciál +0.5 až +0.7 V oproti Ag/AgCl. Potom sa okruh uzavrie elektrolytom, keď častica hrdze zasiahne povrch titánu. Častica hrdze slúži ako katóda, kde dochádza k redukcii kyslíka: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ Titán hneď vedľa častice funguje ako anóda a rozpúšťa sa ako Ti4⁺. Anódová oblasť je dosť obmedzená, často v rámci 1-2 priemerov častíc od usadeniny hrdze. Aby sa titán rozpustil rýchlosťou 1-5 mm za rok, prúdová hustota na anóde môže byť až 1-5 mA/cm2. Koncový uzáver je obzvlášť citlivý, pretože má často rôznu povrchovú úpravu (ako zváraná alebo morená rúrka) a môže obsahovať trhliny na zvarovej špičke, kde sa môžu hromadiť častice hrdze.

Kvantifikácia zrýchlenia rýchlosti korózie časticami hrdze

Rýchlosti korózie titánových koncových uzáverov stupňa 2 v 5 % soľanke NaCl pri 50 stupňoch pri kontrolovaných testovacích nastaveniach boli stanovené pre nasledujúce podmienky hrdze:

Čistá soľanka, žiadne častice hrdze: Hustota pasívneho prúdu 0,05–0,10 µA/cm2. Rýchlosť korózie menej ako 0,01 mm/rok. Koncovka je stále brilantná a-nekorodovaná aj po 5 000 hodinách.

Častice hrdze aplikované pri 10 ppm, kontinuálne prúdiace: Rýchlosť korózie 0,08-0,15 mm za rok. lokalizované jamkovanie v miestach kontaktu s časticami s hĺbkou jamiek 20-50 µm po 1000 hodinách.

Častice hrdze zvýšili prietokovú koróziu na 0,3-0,6 mm/rok pri 50 ppm. Hĺbka jamy 100–200 µm po 1000 hodinách. Koncový uzáver má zjavné sfarbenie obklopujúce usadeniny častíc.

Pridané častice hrdze pri 200 ppm, tečúce: Rýchlosť korózie 1,0-2,0 mm/rok Hĺbka jamy po 1000 h je v rozsahu 300-600 µm. Perforácia koncovky steny 1,0 mm 500 až 1 000 hod.

Usadzovanie častíc hrdze na vodorovnej koncovke (stagnujúci nános) Lokálna rýchlosť korózie > 5 mm/rok. Kompletná perforácia štandardnej koncovky 1,2 mm za 3–6 mesiacov. Hlboké jamky prenikajú zvarom do tepelne ovplyvnenej oblasti.

Stratégia ochrany na konci pre vystavenie časticiam hrdze

Nasledujúca tabuľka uvádza rozhodovací strom pre ochranu koncových uzáverov titánových ohrievačov v situáciách pred koróziou uhlíkovej ocele a prúdením soľanky.

Stav uhlíkovej ocele a prietok soľného roztoku Odporúčaná stratégia ochrany koncového uzáveru Obrázok 2. Zdôvodnenie jadra a zmiernenie galvanickej korózie
New carbon steel with less corrosion and high flow (>1 m/s) Štandardná, hladká povrchová úprava zvaru, koncovka 2. stupňaFlow zabraňuje usadzovaniu častíc. Prijateľné riziko pre životnosť 3 až 5 rokov
Zostarnutá uhlíková oceľ s miernou koróziou ( 50-100 ppm ), prerušovaný prietok Koncový uzáver s PTFE povlakom (hrúbka 0,5 mm) Povlak elektricky izoluje titán od častíc hrdze. Náter každé 2 roky.
Heavy corrosion upstream (>200 ppm), zóny s nízkym prietokom/stagnujúce oblasti Konštrukcia uzáveru so samočistiacim sklonom- (min. 45 stupňov). Šikmý uzáver zastavuje hromadenie častíc-Nahor. Nič horizontálne. Nainštalujte predné sitko na zachytenie častíc hrdze.
Existujúci ohrievač s koncovým uzáverom vykazujúcim usadeniny hrdze Okamžite utrite dočista 5 % kyselinou citrónovou a nainštalujte obetnú zinkovú anódu. Zinková anóda (10 g) aplikovaná na koncovku obráti galvanický pár. Ročná výmena anód.
Kritická prevádzka, kde nemožno tolerovať poruchu ohrievača Titánová koncovka triedy 7 s elektrolyticky lešteným povrchom Zahrnutie paládia zlepšuje potenciál titánu a znižuje hnaciu silu pre galvanickú koróziu. Maximálna spoľahlivosť.
Engineering Beyond End Cap Protection

Sekundárna obrana je hrúbka steny koncovky. Väčšia koncovka (2,0 mm oproti 1,2 mm) predlžuje čas do perforácie, ale neznižuje rýchlosť korózie. Geometria koncového uzáveru je dôležitejšia, kupolovité alebo kónické koncové uzávery zhadzujú častice, ploché koncové uzávery zbierajú usadeniny. Zvar medzi rúrkou a koncovým uzáverom by mal byť hladký a bez trhlín, kde by sa mohli zachytiť častice. Filtrovanie proti prúdu na odstránenie častíc hrdze väčších ako 50 µm môže predĺžiť životnosť koncového uzáveru o faktor 5 až 10. Magnetit je ferimagnetický. Preto magnetický lapač v potrubí soľanky pred ohrievačom bude selektívne extrahovať častice magnetitu.

Vytvorenie informovanej špecifikácie

Pri navrhovaní titánového ohrievača na prívod soľanky za komponentmi z uhlíkovej ocele zahrňte požiadavku na predradenú filtráciu častíc (50 µm nominálna hodnota) alebo magnetický separátor. Namiesto plochého uzáveru vyberte klenutý alebo kužeľový uzáver. Existujúce inštalácie: štvrťročne preskúmajte koncové uzávery pomocou boroskopu. Ak sú prítomné hrdzavé-nánosy, rýchlo ich očistite slabou kyselinou (5 % citrónovou alebo 10 % kyselinou octovou) a skontrolujte hĺbku jamkovej jamky pomocou ultrazvukového hrúbkomeru. Pre nové inštalácie v silnej korózii špecifikujte titán triedy 7 pre celý ohrievač vrátane koncového uzáveru a pridajte obetnú zinkovú anódu pripevnenú ku koncovému uzáveru titánovým drôtom. Zinková anóda polarizuje titán na väčší negatívny potenciál a eliminuje galvanickú hnaciu silu s časticami hrdze. Vyriešením problému kontaminácie hrdzavými časticami na úrovni systému sa technik vyhne rýchlej, vysoko lokalizovanej korózii, ktorá často spôsobuje predčasné zlyhanie koncového uzáveru v inak korózii odolných titánových ohrievačoch{11}}.