Proč přítomnost částic rzi z uhlíkové oceli proti proudu výrazně urychluje galvanickou korozi koncového uzávěru titanového ohřívače ve slaném nálevu?

Titanové ponorné ohřívače se obvykle používají v systémech solanky s potrubím, nádrží nebo výměníkem tepla z uhlíkové oceli. Ve slaném nálevu uhlíková ocel podléhá přirozené korozi, při které vznikají částice rzi, většinou oxidy železa (Fe2O3, Fe3O4) a oxyhydroxidy. Tyto částice jsou transportovány proudem solanky a nakonec se ukládají na površích v systému, jako je koncový uzávěr titanového ohřívače. Koncový uzávěr je obvykle přivařený uzávěr na konci topné trubice, často vyrobený ze stejného jakosti titanu, ale s jinou povrchovou úpravou. Částice rzi, které se usazují na titanu, tvoří v elektrolytu (solance) galvanický článek. V chloridových roztocích je rez elektrochemicky ušlechtilá na titan s klidovým potenciálem 200–400 mV pozitivnějším. Výsledkem je rychlá lokalizovaná koroze titanu obklopujícího každou částečku rzi, která má za následek důlkovou korozi a eventuální perforaci koncovky.

Elektrochemický mechanismus galvanické koroze indukované rzí

Titan ve 3–5% solance NaCl má pasivní potenciál zhruba +0.1 až +0.3 V oproti Ag/AgCl díky své vrstvě TiO₂. Částice rzi, zejména magnetit (Fe3O4), jsou polovodivé a mají smíšený potenciál +0.5 až +0.7 V vs. Ag/AgCl. Poté je okruh uzavřen elektrolytem, ​​když částice rzi narazí na povrch titanu. Částice rzi slouží jako katoda, kde dochází k redukci kyslíku: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ Titan těsně vedle částice funguje jako anoda a rozpouští se jako Ti4⁺. Anodická oblast je poměrně omezená, často v rozmezí 1-2 průměrů částic od usazeniny rzi. Aby se titan rozpouštěl rychlostí 1-5 mm za rok, proudová hustota na anodě může být až 1-5 mA/cm2. Koncový uzávěr je obzvláště citlivý, protože má často proměnlivou povrchovou úpravu (jako svařovaná nebo mořená trubka) a může obsahovat praskliny na špičce svaru, kde se mohou shromažďovat částice rzi.

Kvantifikace zrychlení rychlosti koroze částicemi rzi

Rychlosti koroze titanových koncových čepiček stupně 2 v 5% solném roztoku NaCl při 50 stupních za kontrolovaného testovacího nastavení byly stanoveny pro následující podmínky částic rzi:

Čistá solanka, žádné částice rzi: Hustota pasivního proudu 0,05–0,10 µA/cm2. Rychlost koroze menší než 0,01 mm/rok. Koncovka je stále brilantní a nezkorodovaná-po 5 000 hodinách.

Částice rzi aplikované v množství 10 ppm, kontinuálně proudící: Rychlost koroze 0,08-0,15 mm za rok. lokalizovaná důlková místa v místech kontaktu s částicemi s hloubkou důlků 20-50 µm po 1000 hodinách.

Částice rzi zvýšily rychlost tokové koroze na 0,3-0,6 mm/rok při 50 ppm. Hloubka jámy 100–200 µm po 1000 h. Koncový uzávěr má zjevnou změnu barvy obklopující usazeniny částic.

Přidané částice rzi 200 ppm, tekoucí: Rychlost koroze 1,0-2,0 mm/rok Hloubka jámy po 1000 h se pohybuje v rozmezí 300–600 µm. Perforace koncovky stěny 1,0 mm 500 až 1 000 hodin.

Usazování částic rzi na vodorovné koncovce (stagnující nános) Lokální rychlost koroze > 5 mm/rok. Kompletní perforace standardní koncovky 1,2 mm za 3–6 měsíců. Hluboké důlky pronikají do tepelně ovlivněné oblasti svařování.

Strategie ochrany na konci pro vystavení rezavým částicím

Následující tabulka uvádí rozhodovací strom pro ochranu koncových uzávěrů titanových ohřívačů v situacích koroze uhlíkové oceli a proudění solanky.

Stav uhlíkové oceli proti proudu a průtok solanky Doporučená strategie ochrany koncového uzávěru Obrázek 2. Zdůvodnění jádra a zmírnění galvanické koroze
New carbon steel with less corrosion and high flow (>1 m/s) Standardní, hladký povrch svaru, koncovka 2. stupněFlow zabraňuje usazování částic. Přijatelné riziko pro životnost 3 až 5 let
Zestárlá uhlíková ocel s mírnou korozí ( 50-100 ppm ), přerušovaný průtokKoncová čepička s PTFE povlakem (tloušťka 0,5 mm) Povlak elektricky izoluje titan od částic rzi. Nátěr každé 2 roky.
Heavy corrosion upstream (>200 ppm), zóny s nízkým průtokem/stagnujícími zónami Konstrukce uzávěru se samočisticím-sklonem (min. 45 stupňů). Šikmý uzávěr zamezuje hromadění částic-Nahoru. Nic horizontálního. Nainstalujte předřazené sítko k zachycení částic rzi.
Stávající ohřívač s koncovým uzávěrem vykazujícím usazeniny rzi Okamžitě otřete dočista 5% kyselinou citrónovou a nainstalujte obětovanou zinkovou anodu. Zinková anoda (10 g) aplikovaná na koncovku převrací galvanický pár. Každoroční výměna anody.
Kritický provoz, kde nelze tolerovat selhání ohřívače Titanová koncovka třídy 7 s elektrolyticky leštěným povrchem Začlenění palladia zlepšuje potenciál titanu a snižuje hnací sílu pro galvanickou korozi. Maximální spolehlivost.
Engineering Beyond End Cap Protection

Sekundární ochranou je tloušťka stěny koncovky. Větší koncovka (2,0 mm oproti 1,2 mm) prodlužuje dobu do perforace, ale nesnižuje rychlost koroze. Důležitější je geometrie koncovky, klenuté nebo kónické koncovky uvolňují částice, ploché koncovky shromažďují usazeniny. Svar mezi trubkou a koncovým uzávěrem by měl být hladký a bez trhlin, kde by se mohly zachytit částice. Filtrace proti proudu k odstranění částic rzi větších než 50 µm může prodloužit životnost koncového uzávěru faktorem 5 až 10. Magnetit je ferimagnetický. Proto magnetický lapač v potrubí solanky před ohřívačem bude selektivně extrahovat částice magnetitu.

Vytvoření informované specifikace

Při navrhování titanového ohřívače pro vedení solanky za součástmi z uhlíkové oceli zahrňte požadavek na filtraci částic proti proudu (nominální hodnota 50 µm) nebo magnetický separátor. Místo plochého uzávěru vyberte klenutý nebo kuželový uzávěr. Stávající instalace: čtvrtletně prozkoumejte koncové uzávěry pomocí boroskopu. Pokud jsou přítomny rezavě{4}}zbarvené usazeniny, rychle je očistěte slabou kyselinou (5% citrónová nebo 10% kyselina octová) a zkontrolujte hloubku důlků pomocí ultrazvukového tloušťkoměru. Pro nové instalace v situacích silné koroze specifikujte titan třídy 7 pro celý ohřívač včetně koncovky a přidejte obětovanou zinkovou anodu připevněnou ke koncovce pomocí titanového drátu. Zinková anoda polarizuje titan na větší negativní potenciál a eliminuje galvanickou hnací sílu s částicemi rzi. Vyřešením problému kontaminace částicemi rzi na úrovni systému se technik vyhýbá rychlé, vysoce lokalizované korozi, která často způsobuje předčasné selhání koncového uzávěru u jinak korozi odolných titanových ohřívačů{11}}.