Proč titanový ponorný ohřívač ve směsi 50/50 etylenglykol/voda s 500 ppm chloridu při 90 stupních selže rychleji kvůli štěrbinové korozi než při rovnoměrném ztenčení?

Kombinace etylenglykol/voda (50/50 obj. %) se často používají jako teplonosné kapaliny v solárních tepelných systémech, HVAC a chlazení motoru. Při 90 stupních je 500 ppm chloridu ze znehodnoceného glykolu nebo makeupové vody nepřátelské vůči titanu. Ačkoli je titan v této směsi velmi odolný vůči rovnoměrné korozi, s rychlostí koroze pod 0,02 mm za rok, selhání je způsobeno především štěrbinovou korozí na podpěrách trubek, přírubách a těsněních. Geometrie štěrbiny vede ke zvýšení koncentrace chloridů a snížení koncentrace kyslíku, zatímco produkty rozkladu glykolu (kyselina glykolová, kyselina mravenčí) snižují místní pH. Rychlosti šíření štěrbinové koroze jsou 0,3-1,0 mm/rok, 15-50krát rychlejší než rovnoměrné ztenčení. Porucha je poměrně omezená a dochází k perforaci, zatímco 95 % povrchu trubky zůstává nedotčeno.

Mechanismus dominance štěrbiny ve směsích glykol/voda

V základním roztoku ethylenglykol zvyšuje viskozitu, což snižuje difúzi kyslíku. Stabilita pasivního filmu je zaručena dostatkem kyslíku a mírnou koncentrací chloridů. Ve štěrbině (např. pod PTFE podpěrou nebo na těsnění) je kyslík rychle vyčerpán katodickými procesy a není přiváděn. Chloridy difundují do štěrbiny, aby se zachovala elektrická neutralita a dosahují úrovně 2 000 až 10 000 ppm. Glykol se tepelně rozkládá při 90 stupních na organické kyseliny (glykolová, mravenčí, šťavelová). Tyto kyseliny snižují místní pH štěrbiny na 3-4. Chlorid, nízké pH a vyčerpání kyslíku společně degradují pasivní film. Koroze na štěrbinové anodě je aktivní, poháněná velkou vnější katodou zbytku povrchu trubky. Je-li galvanický proud mezi štěrbinou (anodou) a vnějškem (katodou) udržován, je rychlost rozpouštění významná. Nakonec dojde k perforaci .

Kvantitativní srovnání stejnoměrné a štěrbinové koroze

Kontrolované testy v 50/50 ethylenglykolu/vodě s 500 ppm chloridu (počáteční pH 6,5) při 90 stupních po dobu 2000 hodin odhalily radikálně odlišné rychlosti koroze. Obecná rychlost koroze hladké trubky bez trhlin je pouze 0,008 až 0,015 mm/rok. Povrch je lesklý a bez důlků, což naznačuje stabilní pasivní film. S touto rychlostí by tloušťka stěny 1,2 mm poskytla životnost více než 50 let. Rychlost štěrbinové koroze však byla až 0,30–0,70 mm/rok pod PTFE podložkou se štěrbinou 0,2 mm. Iniciační fáze trvá 200 až 500 hodin a během 1 000 hodin se vyvine rýha o hloubce 0,3–0,6 mm. S pryžovým těsněním, které má mezeru 0,1 mm, se rychlost štěrbinové koroze zvyšuje na 0,50 až 1,00 mm/rok, počínaje 100 až 300 hodinami a perforací 1,2 mm stěny za 1200 až 2400 hodin. Ve válcovaném spoji trubky a trubkovnice je rychlost štěrbinové koroze 0,20 až 0,50 mm za rok s iniciací za 300 až 800 hodin.

Vliv rozkladu chloridů a glykolů na závažnost štěrbin

Závažnost štěrbinového napadení je silnou funkcí stavu glykolu a koncentrace chloridů. Čerstvý glykol (s inhibitory) při 100 ppm chloridu poskytuje štěrbinové pH 5,5 po 500 h s rychlostí koroze 0,10-0,25 mm za rok. Čerstvý neinhibovaný glykol při 500 ppm chloridu klesá na pH 4,5 rychlostí 0,30-0,60 mm za rok. Tepelně rozložený glykol (500 hodin při 90 stupních) s 500 ppm chloridu dává pH 3,5. Rychlost je 0,60-1,00 mm/rok. Silně zhoršený glykol s více než 1 000 ppm organických kyselin s 1 000 ppm chloridu, pH 3,0, rychlost štěrbinové koroze 1,00-1,80 mm za rok. Za těchto podmínek je rovnoměrná rychlost koroze < 0,025 mm/rok, což ukazuje na štěrbinovou korozi jako dominantní mechanismus selhání.

Opatření pro zabránění korozi štěrbiny glykolu/ohřívače vody

Níže uvedená tabulka uvádí pokyny pro snížení štěrbinové koroze v kombinaci etylenglykol/voda při 90 stupních na základě konfigurace ohřívače a posouzení rizika štěrbiny.

Uspořádání ohřívače pro nebezpečí štěrbiny Navrhovaná změna designu Očekávaná míra koroze štěrbiny (mm/rok)
Rozpěrky trubek PTFE (rozteč 0,2-0,5 mm) Výměna svařovaných podpěr s vysokým obsahem titanu<0.02
Příruby s pryžovým těsněnímVelmi vysoká Použijte svařované nebo pájené spojky<0.02
Naválcování expandovaných trubek v trubkovnici Střední Svařování trubky-na{1}}trubkovnici po expanzi 0,05–0,10
Vysoce kompresní fitinky Elimine; použijte svařované tvarovky<0.02
Přepracování stávajících štěrbin Nelze přepracovat Středně Použít PTFE pásku k vyrovnání mezery 0,15–0,30
Technika Více než eliminace trhlin

Odolnost proti štěrbinové korozi je silně ovlivněna jakostí titanu. Stupeň 7 (stabilizovaný paladiem) má 3-5krát delší dobu zahájení a o 50-70 % nižší rychlost šíření než stupeň 2 ve štěrbinách glykolu/vody. Tloušťka stěny udává přídavek materiálu. 2,0 mm stěna se štěrbinovou korozí 0,5 mm za rok vydrží 4 roky, ale 1,2 mm stěna jen 2,4 roku. Na balíčku inhibitoru glykolu záleží; Inhibitory na bázi dusitanů podporují štěrbinovou korozi titanu, zatímco inhibitory na bázi molybdenanu nebo azolu jsou neškodné. Pravidelný vzorek glykolu pro pH, koncentraci chloridů a organických kyselin umožňuje prediktivní údržbu. Přidání monoethanolaminu k udržení pH glykolu nad 8,0 výrazně snižuje výskyt štěrbin.

Vytvoření specifikace s přehledem

Navrhněte titanový ponorný ohřívač pro 50/50 ethylenglykol/voda s 500 ppm chloridu při 90C. Udělejte to bez štěrbin{5}}: použijte svařované podpěry trubek, svařované příruby a svařované spoje-do-trubkových plechů. Pokud nejsou žádné trhliny odstraněny, použijte titan třídy 7 a každé čtvrtletí zkontrolujte všechna místa štěrbin boroskopem nebo penetračním prostředkem. U ohřívačů, které jsou již v provozu a u kterých dochází ke štěrbinové korozi, znovu použijte PTFE pásku nebo silikonový tmel, aby se mezery zakryly, a přidejte do glykolu molybdenan sodný v koncentraci 200 ppm jako inhibitor koroze. Zkontrolujte glykol, zda pH během provozu nekleslo pod 6,0; pokud zjistíte pokles pH, okamžitě vyměňte náplň glykolu. Štěrbinová koroze může způsobit selhání ohřívače 15-50krát rychleji než rovnoměrné ředění. S vědomím toho inženýr klade důraz na redukci štěrbin před výběrem jakosti materiálu v provozu etylenglykol/voda.