Jaký je minimální elektrický izolační odpor nutný k zabránění galvanické absorpce vodíku pro ohřívač svazku titanových trubek dodatečně do nádrže z uhlíkové oceli obsahující 10 % chloritanu sodného při 60 stupních?

Chloritan sodný (NaClO2), 10% při 60 stupních je oxidační roztok používaný při bělení a úpravě vody. Když je ohřívač svazku titanových trubek dodatečně namontován do stávající nádrže z uhlíkové oceli, vytvoří se galvanický pár, protože titan je ušlechtilejší než uhlíková ocel. Uhlíková ocel je anodou a je zkorodovaná a titan je katodou. Při dostatečně záporných potenciálech dochází na katodě na titanu k redukci kyslíku a vývoji vodíku. Generovaný vodík může být absorbován titanem a způsobit křehnutí. Titanový ohřívač je elektricky izolován od nádrže z uhlíkové oceli, čímž se přeruší galvanický okruh. Minimální elektrický izolační odpor potřebný k zabránění překročení prahu absorpce vodíku galvanickým proudem (přibližně 0,1 mA/cm^2 na povrchu titanu) je 1 megaohm (1 000 000 ohmů).

Mechanismus galvanické absorpce vodíku na titanu v chloritanových elektrolytech

When titanium is galvanically coupled to carbon steel in sodium chlorite solution, its surface potential is shifted to more negative values by cathodic polarization. Hydrogen evolution occurs at potentials more negative than around -0.7 V versus a silver-silver chloride reference electrode by the reaction 2H2O + 2e- ->H2 + 2OH-. Atomový vodík se vytváří na povrchu titanu a může prosakovat do kovu. Při proudových hustotách > 0,1-0,2 mA/cm2 je rychlost absorpce vodíku dostatečně vysoká, aby časem materiál zkřehnul. Elektrická izolace poskytuje vysokoodporovou cestu v obvodu pro snížení galvanického proudu na bezpečné limity. Potřebný izolační odpor se určí z rozdílu galvanického potenciálu a dovoleného proudu.

Kvantitativní korelace mezi absorpcí vodíku a izolačním odporem

Pro standardní ohřívač svazků titanových trubek (plocha povrchu 1 m2) a nádrž z uhlíkové oceli (plocha povrchu 10 m2) v 10% chloritanu sodném při 60 °C je rozdíl galvanického potenciálu asi 0,6 V. Galvanický proud se vypočítá jako Igalv=ΔV / Risolation. i_Ti je proudová hustota na titanu, rovna I_galv dělená povrchem titanu. Při absenci izolace (R_isolation=0 Ω; uvažuje se pouze odpor roztoku ~10 Ω) je galvanický proud ~60 mA a i_Ti je 0,06 mA/cm², což je pod prahem absorpce vodíku, ale je hraniční a mění se s geometrií. S R_izolací=10 000 ohmů je I_galv asi 0,06 mA a i_Ti je 0,00006 mA/cm² nebo 0,06 µA/cm², což je bezpečné. Pro R_isolation=100 000 ohmů (0,1 MΩ) je I_galv přibližně 0,006 mA a i_Ti=0.006 µA/cm 2, což nabízí velkou bezpečnostní rezervu. Pokud R_isolation=1,000,000 ohmů (1 MΩ), I_galv je asi 0,6 µA a i_Ti je 0,0006 µA/cm 2, což je nevýznamné a standardní specifikace. Izolace je nad{50}}specifikována (ale OK) s R_isolation=10 000 000 ohmů (10 MΩ).

Vliv koncentrace a teploty chloritanu sodného na požadovaný izolační odpor

Potřebný minimální izolační odpor je závislý na koncentraci chloritanu sodného a provozní teplotě, protože tyto ovlivňují rozdíl galvanického potenciálu. Rozdíl galvanického potenciálu je 0,4 V při 5% NaClO2 a 40 stupních a minimální izolační odpor pro i_Ti<0.1 mA/cm2 is 0.5 MΩ. At 10% NaClO2 and 60°C the potential difference is 0.6 V and the minimum resistance is 1.0 MΩ. The potential difference is 0.7 V and the minimum resistance is 1.2 MΩ at 15% NaClO2 and 60°C. For 10% NaClO2 , potential difference is 0.8 V at 80oC . Minimum resistance 1.5 MΩ . At 20% NaClO₂, the potential difference is 0.9 V and the minimum resistance is 2.0 MΩ at 80°C.

Specifikace a ověřovací příručka pro chloritanovou provozní izolační odolnost

Následující tabulka ukazuje způsoby dosažení minimálního izolačního odporu a postupy pro ověření během instalace a periodické kontroly.

Metoda izolace Ověření očekávaného odporu (MΩ) během instalace Pravidelné ověřování (každých 6 měsíců)
PTFE gasket (3 mm) + PTFE bolt sleeves 10–100 Megohmmeter (500V) between heater and tank >1 MΩ PTFE gasket + ceramic-coated bolts 5–50 Megohmmeter (500V) >1 MΩ
Dielectric break coupling (PTFE spool) >100 Megohmmeter (500V) >10 MOA
Pouze pryžové těsnění (nedoporučuje se) 0,1–1 Nestabilní megohmetr (250 V)
Přímý kontakt (bez izolace)<0.001 Continuity test (beep) Not applicable
Navrhování izolační odolnosti a výběr materiálu nad rámec

Požadovaná izolační odolnost je nezávislá na kvalitě titanu, protože galvanické chování třídy 2 a třídy 7 je podobné. Tloušťka stěny poskytuje povolenou absorpci vodíku; stěna 2,0 mm zkřehne poloviční rychlostí než stěna 1,0 mm při stejné rychlosti absorpce. Pokud izolace není možná, měla by být nádrž z uhlíkové oceli katodicky chráněna. To může mít za následek více negativních potenciálů, a tedy větší absorpci vodíku na titanu. Optimální technikou je nainstalovat titanovou nádrž nebo nádrž- s plastovým obložením, aby se zcela vyloučila galvanická vazba. Izolační odpor by měl být zkontrolován příležitostně, tj. každých 6 měsíců, protože těsnění se mohou posouvat a upevňovací prvky se mohou povolovat, čímž se odpor v průběhu času snižuje.

Informovaná specifikace

U ohřívače svazku titanových trubek dovybaveného do nádrže z uhlíkové oceli obsahující 10 % chloritanu sodného při 60 stupních požadujte elektrickou izolaci s minimálním odporem 1 MΩ, měřeno mezi ohřívačem a nádrží pomocí 500V megaohmmetru. Veškerý montážní materiál by měl používat těsnění z PTFE o minimální tloušťce 3 mm a pouzdra a podložky šroubů z PTFE. Stávající instalace: Před uvedením do provozu změřte izolační odpor. Pokud je odpor menší než 1 MΩ, přidejte dielektrické přerušovací spojky nebo vyměňte těsnění. Během provozu znovu{10}}měřte odpor každých 6 měsíců, pokud odpor klesne pod 0,5 MΩ, zkontrolujte a opravte izolační součásti. Nepoužívejte katodickou ochranu místo izolace, protože to zvýší riziko absorpce vodíku na titanu. Technik zabraňuje galvanickému vodíkovému křehnutí titanových ohřívačů v provozu s chloritanem sodným udržováním elektrického izolačního odporu nad 1 MΩ.