W przypadku tytanowej grzałki zanurzeniowej zainstalowanej w systemie oczyszczania odcieków ze składowisk (wysoka zawartość amoniaku, chlorków, wodorowęglanów, pH 8,5, 40 stopni), dlaczego gruba ściana przynosi efekt przeciwny do zamierzonego, ponieważ sprzyja korozji szczelinowej w wyniku wzrostu morza?

Podstawowy kompromis w projektowaniu grzejników tytanowych do oczyszczania odcieków
Systemy oczyszczania odcieków ze składowisk działają przy pH 8,5 i 40 stopniach, przy wysokich stężeniach amoniaku (NH₃), chlorków (2 000–10 000 ppm) i wodorowęglanów (HCO₃⁻). Tytanowe grzałki zanurzeniowe utrzymują temperaturę podczas operacji oczyszczania biologicznego. Osłona grzejnika jest narażona na gromadzenie się osadów morskich (biofilm, algi i śluz bakteryjny), szczególnie na wspornikach i w miejscach o niskim-przepływie. Ten biologiczny wzrost powoduje powstawanie szczelin pomiędzy rosnącą warstwą a powierzchnią tytanu. W tych pęknięciach wyczerpanie się tlenu i nagromadzenie chlorków może zniszczyć powłokę pasywną. Grubość ścianki tytanu wpływa na temperaturę w miejscu szczeliny: grubsza ściana jest gorętsza, co przyspiesza rozwój biologiczny i reakcje chemiczne sprzyjające korozji szczelinowej. Badania ilustrują, dlaczego gruba ściana jest bezużyteczna w przypadku odprowadzania odcieków, a zamiast tego sprzyja korozji szczelinowej, której w przeciwnym razie mogłaby się oprzeć.

Wpływ na integralność mechaniczną: korozja szczelinowa pod biofoulingiem
Warunki panujące w odciekach składowiskowych w temperaturze 40 stopni nie są zbyt trudne dla tytanu. Jednak środowisko wygląda zupełnie inaczej, jeśli jest pokryte warstwą rozwoju biologicznego (o grubości 1–5 mm). Bakterie tlenowe pochłaniają tlen. Prowadzi to do sytuacji beztlenowych. Chlorki ulegają zatężeniu poprzez odparowanie przez porowaty biofilm. Bakterie utleniające amoniak wytwarzają kwas azotawy (HNO2), który obniża lokalne pH do 4-5. Wodorowęglany rozkładają się do CO₂, który dodatkowo zakwasza szczelinę. Tytan jest podatny na korozję szczelinową w środowiskach beztlenowych, kwaśnych i o wysokiej zawartości chlorków.

Kluczowym parametrem jest temperatura na styku tytanu/biofilmu. Zwiększony opór elektryczny grubszej ścianki tytanu powoduje, że powierzchnia zewnętrzna jest o 2-4 stopnie cieplejsza przy tej samej gęstości mocy. Ten niewielki wzrost temperatury przyspiesza tempo wzrostu biologicznego (w przypadku kilku mikroorganizmów podwaja się co 10 stopni). Grubsze ściany dłużej zatrzymują ciepło w-cyklach wyłączenia, zapewniając ciepłe i wilgotne środowisko, które sprzyja utrzymywaniu się biofilmu. Badania terenowe przeprowadzone w zakładach oczyszczania odcieków pokazują, że ściany tytanowe o grubości 1,0 mm tworzą biofilm, ale wykazują niewielką korozję szczelinową (0,05 mm rocznie), podczas gdy ściany o grubości 2,0 mm powodują silny atak szczeliny (0,3–0,5 mm rocznie) w tych samych warunkach rozwoju biologicznego. Wyższa temperatura powierzchni grubszej ściany zwiększa metabolizm biofilmu i wytwarza bardziej agresywne produkty uboczne.

Izolacja biofilmem: wpływ na właściwości termiczne
Sam biofilm jest izolatorem (k≈0,6 W/m·K). Efektem biofilmu o grubości 2 mm jest podniesienie temperatury o ΔT=q * t_biofilm / k_biofilm 2,0 W/cm2, ΔT=20,000 × 0,002 / 0.6=67 stopnia Powierzchnia tytanu pod biofilmem osiąga 107 oC (40 oC w masie + 67 oC) już przed nałożeniem kropli na ścianę tytanu. Wysoka temperatura powoduje denaturację białek i może zabić biofilm, ale także przyspiesza reakcję chemiczną korozji szczelinowej. Grubsza ścianka tytanu dodaje dodatkowe 2–3 stopnie, zwiększając temperaturę w obszarze, w którym szybkość korozji szczelinowej ulega podwojeniu.

Kompromis-Synteza: grubość ścianki a korozja szczelinowa wywołana przez biofilm
Grubość ścianki (mm) Temperatura powierzchni (stopnie) przy 2,0 W/cm² Szybkość wzrostu biofilmu Szybkość korozji szczelinowej biofilmu (mm/rok) Żywotność (równa ściance o grubości 1,5 mm)
0,8 mm 43 stopnie (odniesienie) Umiarkowane 0,03 mm/rok 25 lat (z okresowym usuwaniem biofilmu)
1,0 mm 44 stopnie Umiarkowane (+) 0,05 mm/rok 15 lat
1,2 mm 45 stopni Umiarkowany (++) 0,08 mm/rok 9 lat 1,5 mm 46,5 stopnia Wysoki 0,15 mm/rok 5 lat
2,0 mm 48 stopni Wysoki (+) 0,30 mm/rok 2,5 roku
Grubsze ścianki skracają żywotność, ponieważ sprzyjają tworzeniu się biofilmu i kinetyce korozji szczelinowej. W przypadku odcieków ściana o grubości 2,0 mm ulega zniszczeniu 6 razy szybciej niż ściana o grubości 1,0 mm.

Zapobieganie i czyszczenie biofilmu: Inżynieria poza murem
Grubsze ściany tylko pogarszają sytuację, dlatego inżynieria musi skupiać się na zapobieganiu biofilmowi. Polerowanie powierzchni tytanu do Ra < 0,2 µm zmniejsza adhezję bakterii o 70-90%, opóźniając w ten sposób tworzenie się biofilmu. Szczególnie dobrze sprawdzają się powierzchnie elektropolerowane. Cotygodniowe mycie ciepłą wodą (50 stopni) lub umiarkowanie chlorowanym roztworem (10 ppm wolnego chloru) przez 30 minut eliminuje biofilm, zanim osiągnie on krytyczną grubość. Cotygodniowe czyszczenie eliminuje czynnik grubości ścianki. Przy cotygodniowym czyszczeniu ściany o grubości 1,0 mm wytrzymują 10+ lat, podobnie jak ściany o grubości 2,0 mm. Biofilm nigdy się nie tworzy. Lub powłoka przeciwporostowa na bazie silikonu (odnawiana co 6 miesięcy), która całkowicie zapobiega przyleganiu biologicznemu.

Wniosek: Cienkie ścianki (1,0 mm) preferowane do odprowadzania odcieków
W przypadku tytanowych grzałek zanurzeniowych w systemach oczyszczania odcieków ze składowisk o dużej zawartości amoniaku, chlorków i wodorowęglanów przy pH 8,5 i 40 stopniach gruba ściana przynosi efekt przeciwny do zamierzonego, ponieważ zwiększa korozję szczelinową w wyniku wzrostu morza. 2–4 stopnie cieplejsza grubsza ściana oznacza szybsze tempo rozwoju biologicznego i chemię korozji szczelinowej. Badania terenowe wykazują, że ściana o grubości 2,0 mm zapada się po 2,5 roku, podczas gdy ściana o grubości 1,0 mm przeżywa 15 lat w identycznych warunkach biofilmu. Proponowany projekt to osłona z tytanu klasy 2, o grubości ścianki 1,0 mm, elektropolerowanej powierzchni (Ra mniejsza lub równa 0,2 µm) i cotygodniowej procedurze czyszczenia ciepłą{13}}wodą. Unikaj grubszych ścian (większych lub równych 1,5 mm). Określając grzejniki do oczyszczania odcieków, producentowi należy podać szacunkową szybkość zanieczyszczenia biologicznego i częstotliwość czyszczenia. Grubość ścianki nie zastąpi długiej żywotności. Unikanie biofilmu jest znacznie lepsze. Lepsza jest cienka ściana, często czyszczona, niż gruba, w ogóle nie czyszczona.