Podczas modernizacji istniejącego zbiornika ze stali węglowej za pomocą tytanowych grzałek zanurzeniowych na 25% kwas siarkowy w temperaturze 95 stopni, w jaki sposób konfiguracja zestawu podgrzewaczy powinna zapobiegać korozji przez prądy błądzące?

Zasadniczy kompromis-w zamian za wymianę grzejników tytanowych na zbiorniki ze stali węglowej
Stosowanie tytanowych grzałek zanurzeniowych zamiast konwencjonalnych zbiorników ze stali węglowej stwarza problem kompatybilności galwanicznej. W zbiorniku stosuje się 25% kwas siarkowy o temperaturze 95 o C. W ten sposób ten sam przewodzący elektrolit styka się z obydwoma materiałami. Tytan jest szlachetny (potencjał korozji ok.. +0.2 V w porównaniu z Ag/AgCl w rozcieńczonym kwasie siarkowym), podczas gdy stal węglowa jest aktywna (ok. -0,4 V w porównaniu z Ag/AgCl). Ściana zbiornika ma bezpośredni kontakt z tytanem i stalą węglową i tworzy się ogniwo galwaniczne, które powoduje szybszą korozję stali węglowej. Prąd błądzący ze spawania, systemów uziemiających lub pobliskich operacji elektrochemicznych może również skupiać się na wiązce grzejnika tytanowego. Konfiguracja wiązki grzejników,-sposób ułożenia, podparcia i izolacji elektrycznej poszczególnych rurek tytanowych-bezpośrednio wpływa na ilość i rozkład prądów błądzących i galwanicznych. Grubość ścianki wpływa na odporność na miejscowy atak, gdy prądy są skoncentrowane, ale główną odpowiedzią jest izolacja elektryczna. W pracy określono zasady konfiguracji mające na celu zapobieganie korozji wywołanej prądami błądzącymi podczas modernizacji zbiorników ze stali węglowej.

Wpływ na integralność mechaniczną: mechanizmy galwaniczne i prądów błądzących
Jeżeli grzejnik tytanowy jest przymocowany bezpośrednio do kołnierza zbiornika ze stali węglowej, elementy montażowe łączą elektrycznie oba metale. Na styku tytanu-katoda/stal-anoda w 25% H 2 SO 4 przy 95 stopniach gęstość prądu galwanicznego może sięgać nawet 50-200 µA/cm 2 . Prąd ten niszczy stal węglową z szybkością od 0,5 do 2,0 mm rocznie, co wystarcza do przebicia ściany zbiornika o grubości 6 mm w ciągu 3 do 12 lat. Co ważniejsze, prądy błądzące ze źródeł zewnętrznych (np. prostowników spawalniczych, systemów ochrony katodowej lub nieuziemionych zasilaczy) mogą przepływać przez wiązkę tytanowego grzejnika ścieżką o niskim oporze. Prądy błądzące koncentrują się na powierzchni tytanu, ponieważ tytan ma niższą oporność elektryczną (55 µΩ·cm) niż stal węglowa (15–20 µΩ·cm to naprawdę mniej w przypadku stali, ale pasywna powłoka tytanu działa jak prostownik). Powoduje to miejscowe wżery lub rowki w miejscach, gdzie tytan styka się ze wspornikami zbiornika lub gdzie krzyżują się rury wiązki. Grubość ścianki zapewnia naddatek na korozję: 1,2 mm Tytanowa ściana jest w stanie wytrzymać wżery spowodowane prądem błądzącym o wartości 0,2 mm rocznie przez 6 lat. Ściana o grubości 2,0 mm może przetrwać 10 lat. Jednak ściana zbiornika ze stali węglowej (zwykle 6-10 mm) również podlega korozji, a wymiana zbiornika jest znacznie droższa niż wymiana grzejnika.

Wpływ na wydajność cieplną: odstępy między wiązkami i rozkład prądu
Konfiguracja wiązki grzejników wpływa na obecną dystrybucję elektrolitu. Rury tytanowe rozmieszczone blisko (mniej niż 3× średnica zewnętrzna rury od środka-do{-odległości od środka) zapewniają kanał o niskim oporze dla prądów błądzących, koncentrując gęstość prądu na obwodzie wiązki. 4 do 5-krotności średnicy zewnętrznej) zmniejszają zatory prądowe i lokalny atak. Konsekwencją termiczną większych odstępów jest większy ślad wiązki i prawdopodobnie niższa jednorodność wymiany ciepła, ale jest to akceptowalne w celu uniknięcia korozji. Przestrzeń fizyczna i izolacja elektryczna są ważne, ale nie grubość ścianki. Nie ma to wpływu na obecną dystrybucję.

Konfiguracja pakietu ograniczająca prądy błądzące: synteza kompromisu.-
Konfiguracja pakietu Funkcja Zalecenie Prąd błądzący Wpływ korozji Wydajność cieplna ImpactCore Rozumowanie inżynieryjne
Skok rurek (od środka- do- środka) 4× minimalna średnica zewnętrzna rury 50–70% redukcja stłoczenia prądu Wymaga większego otwarcia zbiornika Opór elektryczny przechodzący przez elektrolit wzrasta wraz ze wzrostem odległości.
Mocowanie kołnierza zbiornika Izolowane uszczelki i tuleje z PTFE lub PEEK Eliminują kontakt galwaniczny > 90% redukcja ścieżki prądu błądzącego Brak uderzeń Obwód galwaniczny jest przerywany przez izolację galwaniczną.
Wewnętrzny uchwyt rurki zbiornika Nieprzewodzący (PTFE, ceramiczny lub powlekany) Zapobiega naciskaniu na obecne punkty podparcia Brak efektu Zapobiega kontaktowi metalu--metalu pomiędzy tytanem i stalą węglową.
Uziemienie wiązki Uziemienie jednopunktowe za pomocą rezystora 10 Ω Redukuje powstawanie ładunków elektrostatycznych- i amplitudę prądu błądzącego Brak efektu Rezystor ogranicza przepływ prądu, ale potencjał nie może pływać.
Grubość ścianki (w regionach, w których może się koncentrować prąd) 1,5 mm - 2.0 mm Naddatek na korozję w przypadku uszkodzenia izolacji Niewielkie uszkodzenie termiczne (powierzchnia wyższa o 1-2 stopnie) Grubsza ściana może wytrzymać miejscowe wżery spowodowane szczątkowymi prądami błądzącymi.
Inżynieria wykraczająca poza pakietową izolację elektryczną i monitorowanie
Najważniejszym etapem modernizacji jest zapewnienie izolacji elektrycznej pomiędzy tytanową wiązką grzejną a zbiornikiem ze stali węglowej. Uszczelki z PTFE (o grubości 3 mm) na kołnierzu montażowym, w połączeniu z kołkami lub tulejami izolacyjnymi-pokrytymi PTFE, dają > 100 M? rezystancja przy napięciu 500 V DC. Powoduje to przerwanie obwodu galwanicznego i odsunięcie prądów błądzących od tytanu. Rezystor uziemiający (10-50 Ω) jest podłączony pomiędzy wiązką grzejnika a masą zbiornika. Pozwala to uniknąć gromadzenia się ładunków statycznych-i ogranicza prądy zwarciowe. Okresowo sprawdza się napięcie pomiędzy wiązką tytanu a ścianą zbiornika (za pomocą woltomierza o wysokiej impedancji) w celu wykrycia degradacji izolacji. Jeśli napięcie prądu stałego jest większe niż 0,5 V, istnieje możliwość aktywnej korozji galwanicznej lub prądu błądzącego.

Wniosek: główną obroną jest izolacja elektryczna, a nie grubość ścianki
The titania immersion heaters for 25% sulphuric acid at 95°C were retrofitted to an existing carbon steel tank and electrical isolation of the titania from the carbon steel tank was required to prevent stray current and galvanic corrosion not increased titanium wall thickness. The suggested setup is PTFE isolation gaskets at all mounting locations, non-conductive tube supports (ceramic or PTFE), tube spacing of at least 4× OD, and single point grounding via a 10 Ω resistor. When properly isolated, the corrosion mechanism is uniform acid attack (0.02 – 0.05 mm per year) and a service life of 10+ years can be achieved with a conventional titanium wall thickness of 1.2 – 1.5 mm. Even a 3.0 mm titanium wall without insulation will not prevent the carbon steel tank against galvanic perforation. When specifying a retrofit heater bundle, expect documented electrical isolation testing (megger test at 500 V DC, >100 MΩ) i dołączyć schemat uziemienia. Producent grzejnika powinien dołączyć zestawy izolacyjne do wiązki, a instalator powinien sprawdzić izolację przed zasileniem systemu.