Dlaczego obecność cząstek rdzy ze stali węglowej drastycznie przyspiesza korozję galwaniczną zaślepki tytanowego grzejnika w solance?

Tytanowe grzałki zanurzeniowe są zwykle stosowane w systemach solanki z rurociągami, zbiornikami lub wymiennikami ciepła ze stali węglowej przed nimi. W solance stal węglowa ulega naturalnej korozji, w wyniku której powstają cząstki rdzy, głównie tlenki żelaza (Fe2O3, Fe3O4) i tlenowodorotlenki. Cząsteczki te są transportowane wraz z przepływem solanki i ostatecznie osadzają się na powierzchniach w systemie, takich jak zaślepka końcowa tytanowego grzejnika. Zaślepka to zwykle przyspawane zamknięcie na końcu rury grzewczej, często wykonane z tego samego gatunku tytanu, ale z innym wykończeniem powierzchni. W elektrolicie (solance) cząsteczki rdzy osadzające się na tytanie tworzą ogniwo galwaniczne. W roztworach chlorków rdza jest elektrochemicznie szlachetna w stosunku do tytanu, a potencjał spoczynkowy jest o 200–400 mV bardziej dodatni. Rezultatem jest szybka miejscowa korozja tytanu otaczającego każdą cząsteczkę rdzy, powodująca wżery i ostateczną perforację zaślepki.

Elektrochemiczny mechanizm korozji galwanicznej wywołanej rdzą

Tytan w 3–5% solance NaCl ma potencjał pasywny w przybliżeniu od +0.1 do +0.3 V w porównaniu z Ag/AgCl ze względu na warstwę TiO₂. Cząsteczki rdzy, zwłaszcza magnetyt (Fe3O4), są półprzewodnikami i mają mieszany potencjał od +0.5 do +0.7 V w porównaniu do Ag/AgCl. Następnie obwód zostaje zamknięty przez elektrolit, gdy cząsteczka rdzy uderza w powierzchnię tytanu. Cząsteczka rdzy służy jako katoda, na której zachodzi redukcja tlenu: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ Tytan znajdujący się tuż obok cząstki pełni rolę anody i rozpuszcza się jako Ti⁴⁺. Obszar anodowy jest dość ograniczony, często w odległości 1-2 średnic cząstek od osadu rdzy. Aby rozpuścić tytan w tempie 1-5 mm rocznie, gęstość prądu na anodzie może wynosić nawet 1-5 mA/cm2. Zaślepka jest szczególnie podatna na uszkodzenia, ponieważ często ma zmienne wykończenie powierzchni (w przypadku rur spawanych lub trawionych) i może zawierać pęknięcia na czubku spoiny, w których mogą gromadzić się cząsteczki rdzy.

Kwantyfikacja przyspieszenia szybkości korozji przez cząstki rdzy

Szybkość korozji tytanowych końcówek zaślepek stopnia 2 w 5% solance NaCl w temperaturze 50 stopni w kontrolowanych warunkach testowych określono dla następujących warunków cząstek rdzy:

Czysta solanka, bez cząstek rdzy: Pasywna gęstość prądu 0,05–0,10 µA/cm2. Szybkość korozji poniżej 0,01 mm/rok. Po 5000 godzinach zaślepka nadal jest doskonała i-nie skorodowana.

Cząsteczki rdzy stosowane w ilości 10 ppm, płynące w sposób ciągły: Szybkość korozji 0,08-0,15 mm rocznie. zlokalizowane wżery w miejscach kontaktu cząstek o głębokości wżerów 20-50 µm po 1000 godzinach.

Cząsteczki rdzy zwiększały szybkość korozji płynięcia do 0,3-0,6 mm/rok przy 50 ppm. Głębokość wżerów 100–200 µm po 1000 godz. Zaślepka końcowa ma wyraźne odbarwienie wokół osadów cząstek.

Dodano cząsteczki rdzy w ilości 200 ppm, płynność: Szybkość korozji 1,0-2,0 mm/rok Głębokość wżerów po 1000 godzinach mieści się w zakresie 300-600 µm. Perforacja zaślepki końcowej ściany o grubości 1,0 mm 500 do 1000 godzin.

Osiadanie cząstek rdzy na poziomej zaślepce końcowej (osad stojący) Miejscowa szybkość korozji > 5 mm/rok. Całkowita perforacja standardowej zaślepki o grubości 1,2 mm w ciągu 3–6 miesięcy. Głębokie wżery penetrują strefę wpływu ciepła spoiny.

Strategia ochrony zaślepki końcowej przed narażeniem na cząstki rdzy

Poniższa tabela przedstawia drzewo decyzyjne dotyczące ochrony tytanowych zaślepek końcowych grzejników w sytuacjach korozji stali węglowej przed grzejnikiem i przepływu solanki.

Stan stali węglowej na wlocie i przepływ solanki Zalecana strategia ochrony zaślepek Rysunek 2. Podstawowe uzasadnienie i łagodzenie korozji galwanicznej
New carbon steel with less corrosion and high flow (>1 m/s) Standardowe, gładkie wykończenie spoiny, zaślepka klasy 2Flow zapobiega osadzaniu się cząstek. Dopuszczalne ryzyko w okresie użytkowania od 3 do 5 lat
Postarzana stal węglowa z niewielką korozją (50-100 ppm), przepływ przerywany. Zaślepka z powłoką PTFE (grubość 0,5 mm). Powłoka elektrycznie izoluje tytan od cząstek rdzy. Malowanie co 2 lata.
Heavy corrosion upstream (>200 ppm), strefy niskiego przepływu/stagnacji Konstrukcja zaślepki z-samoczyszczącym nachyleniem (min. 45 stopni). Nachylona zaślepka zatrzymuje gromadzenie się cząstek-W górę. Nic poziomego. Zainstaluj filtr siatkowy przed filtrem, aby wyłapać cząsteczki rdzy.
Istniejący grzejnik z zaślepką końcową z osadami rdzy. Natychmiast wytrzeć do czysta 5% kwasem cytrynowym i zamontować anodę cynkową. Anoda cynkowa (10 g) nałożona na zaślepkę odwraca parę galwaniczną. Coroczna wymiana anody.
Do zastosowań krytycznych, gdzie nie można tolerować awarii grzejnika. Tytanowa zaślepka klasy 7 z wykończeniem elektropolerowanym. Dodatek palladu poprawia potencjał tytanu i zmniejsza siłę powodującą korozję galwaniczną. Maksymalna niezawodność.
Inżynieria wykraczająca poza ochronę zaślepek końcowych

Dodatkową obroną jest grubość ścianki zaślepki. Większa zaślepka (2,0 mm w porównaniu z 1,2 mm) wydłuża czas do perforacji, ale nie zmniejsza szybkości korozji. Ważniejsza jest geometria zaślepek końcowych, kopułowe lub stożkowe zaślepki wyrzucają cząstki, płaskie zaślepki zbierają osady. Spoina pomiędzy rurą a zaślepką powinna być gładka i pozbawiona pęknięć, w których mogłyby uwięzić się cząstki. Filtrowanie przed filtrem w celu usunięcia cząstek rdzy większych niż 50 µm może wydłużyć żywotność zaślepki od 5 do 10 razy. Magnetyt jest ferrimagnetykiem. Dlatego pułapka magnetyczna w przewodzie solanki przed podgrzewaczem będzie selektywnie oddzielać cząstki magnetytu.

Sporządzanie świadomej specyfikacji

Projektując tytanowy podgrzewacz do solanki za elementami ze stali węglowej, należy uwzględnić wymóg filtracji cząstek przed nim (nominalnie 50 µm) lub separatora magnetycznego. Zamiast płaskiej zaślepki wybierz wypukłą lub stożkową zaślepkę. Istniejące instalacje: co kwartał badać zaślepki za pomocą boroskopu. Jeśli występują osady w kolorze rdzy,-należy je szybko oczyścić słabym kwasem (5% kwasu cytrynowego lub 10% kwasu octowego) i sprawdzić głębokość wżerów za pomocą ultradźwiękowego miernika grubości. W przypadku nowych instalacji, w których występuje silna korozja, należy zastosować tytan klasy 7 dla całej nagrzewnicy łącznie z zaślepką końcową i dodać protektorową anodę cynkową przymocowaną do zaślepki za pomocą tytanowego drutu. Anoda cynkowa polaryzuje tytan do większego ujemnego potencjału i eliminuje galwaniczną siłę napędową z cząsteczkami rdzy. Rozwiązując problem zanieczyszczenia cząsteczkami rdzy na poziomie systemu, inżynier unika szybkiej, silnie zlokalizowanej korozji, która często powoduje przedwczesne uszkodzenie pokrywy końcowej w skądinąd odpornych na korozję grzejnikach tytanowych.