Как се променя плътността на галваничния ток между титанов нагревател и стена на резервоар от въглеродна стомана, когато оксидният слой на нагревателя е повреден?

За инженер-технолог, който трябва да инсталира титанов потопяем нагревател в резервоар от въглеродна стомана, плътността на галваничния ток между двата метала ще бъде жизнено зависима от целостта на пасивния оксиден слой върху титана. Когато оксидният слой е непокътнат, титанът има благороден потенциал (около +0.1 до +0.3 V спрямо SCE) в повечето аерирани електролити, докато въглеродната стомана има по-активен потенциал (около -0,5 до -0,7 V спрямо SCE). Галваничният ток преминава от въглеродната стомана (анод, корозия) към титан (катод, защитен). Плътността на тока обикновено е 0,1-1,0 µA/cm 2 титанова повърхностна площ. Когато оксидният филм се разруши (чрез надраскване, абразия или локализирано химическо нападение), голият титан, който е изложен, има активен потенциал, равен или по-отрицателен от въглеродната стомана (около -0,6 до -0,8 V спрямо SCE). Галваничният ток е обърнат: титанът се превръща в анод и бързо корозира с плътност на тока, достигаща 100–1000 µA/cm²– увеличение от 100 до 1000 пъти. Това обратно галванично свързване може да сдъвче титанов нагревател за няколко седмици.

Галванично обръщане и механизмът на увреждане на оксидния слой
Пасивното покритие от TiO₂ върху титан е полупроводник от тип n- и поддържа висока катодна плътност на тока за намаляване на кислорода, но блокира анодния ток от титановата подложка. Титанът, когато филмът е непокътнат, е ефективен катод, управляващ корозията на свързаната въглеродна стомана. Когато филмът се разруши, откритата гола титанова област (обикновено < 1% от общата повърхност) се превръща в зона със смесен потенциал. Голямата заобикаляща пасивна зона все още функционира като катод, но сега малката гола титаниева част функционира като анод. Произведеният галваничен ток е ограничен до дефекта и произвежда плътности на аноден ток от 100–1000 µA/cm2, които са достатъчни за поддържане на активно разтваряне и предотвратяване на повторно пасивиране.

Съотношението на повредената площ (A_damaged / A_passive) е ключовият параметър. За примера на 1 cm2 драскотина върху 1000 cm2 нагревател (0,1% от площта е повредена), плътността на галваничния ток върху драскотината е (i_galvanic * A_passive) / A_damaged. Ако плътността на галваничния ток между пасивния титан и въглеродната стомана е 0,5 µA/cm², тогава плътността на тока върху драскотината е (0,5 × 1000) / 1=500 µA/cm²-достатъчно за разтваряне на титан с около 0,5 mm/месец.

Измерване на плътността на галваничния ток върху непокътнат спрямо повреден оксид
Състояние Състояние на оксидния слой Титанов потенциал (V спрямо SCE) Плътност на галваничния ток (µA/cm2 Ti) Посока Скорост на корозия на титан (mm/година)
Впръскване на воден въздух, прикрепено към въглеродна стомана Непокътната 0.2 0.3 стомана > Ti (корозия) < 0,01 (защитено с Ti)
Аерирана морска вода, 1 % надраскана повърхност Повредено (1 % площ) -0,4 (смесено) 5 (общо) Ti (надраскано) → Стомана (локално) 0,5 (надраскано)
Аерирана морска вода 5% надраскана повърхност Повредено (5% площ) -0,5 (смесено) 10 (общо) Ti (драскотини) → Стомана 1,0 (при драскотини)
Деаерирана морска вода, всяко повърхностно състояние. Пасивен филм нестабилен -0,6 до -0.8 50–200 Ti → Стомана (Ti корозира) 2–10 (равномерен)
Intact film, acid chloride (pH 3)Intact, but less stable 0.0 to +0.1 1-5 Steel ->Ti (корозия на стомана) < 0,05
Acid chloride (pH 3), scratched Damaged -0.4 to -0.6 50-500 Ti (scratch) ->Стомана 2-20 (локализиран)
Базиран-на сценарий подход за управление на галванично свързване с въглеродна стомана
Материал на резервоара Нагревател Оксидно състояние Електролит Препоръчва се: Намаляване на галваничния риск
Въглеродна стомана Без покритие Аерирана морска вода Ниска (стомана ръждясва, Ti защитена) Приемливо. Необходима защита от корозия за стоманен резервоар.
Въглеродна стомана Надраскана (механична повреда) Аерирана морска вода Висока (Ti корозира при надраскване) Електрическа изолация на Ti от стоманата. Използвайте гумени или найлонови шайби.
Въглеродна стомана Всяка -деаерирана (без кислород) Много висока (Ti активна Електрическа изолация. O2 не е необходим за равномерното корозиране на Ti.
Непокътната Въглеродна стомана Разредена киселина (pH 4-6) Умерено (стоманата ще ръждясва бързо) Електрическа изолация. Стоманата ще се счупи бързо. Използвайте пластмасов контейнер.
Въглеродна стомана Повредена (химическо нападение) Разредена киселина Много висока (Ti е склонен към корозия в местата на повреда) Необходимо е незабавно изолиране. сменете повреден нагревател
Неръждаема стомана (катодна спрямо Ti в пасивно състояние) Всякаква Всякаква Ниска до умерена (Ti донякъде анодна) Като цяло ОК. По-малко тежко обратно свързване.
Инженерни смекчаващи мерки за галванично обръщане
Ако титановият нагревател има повредена повърхност и трябва да се използва в резервоар от въглеродна стомана, той трябва да бъде електрически изолиран. При монтажните фланци галваничната верига се прекъсва от найлонови или PTFE втулки, гумени уплътнения и не-проводими тръбни съединения. Галваничният ток трябва да бъде по-малък от 1 µA, което означава, че съпротивлението на изолацията трябва да бъде повече от 1 MΩ. Второ смекчаване е да се прикрепи жертвен анод (цинков или алуминиев) към титановия нагревател, който задържа титана при катоден потенциал, дори ако оксидът е повреден. Титанът не се разтваря. Жертвеният анод се разтваря. Трето смекчаване е периодичната анодна пасивация. Чрез прилагане на кратък аноден потенциал (+0.5 V срещу SCE за 10 минути веднъж седмично) повреденият оксиден слой се поправя чрез отглеждане на нов TiO₂ върху надрасканите места, възстановяване на благородния потенциал и обръщане на галваничната двойка обратно в режим на стоманен-анод.

Заключение: Оксидното увреждане обръща галваничния ток и увеличава Ti корозията 100-1000 пъти.
Галваничното свързване на титановия нагревател с въглеродна стомана, докато оксидният филм е непокътнат, води до плътност на тока от 0,1 до 1,0 µA/cm², като стоманата корозира като анод. Ако оксидът е повреден от надраскване, абразия или химическа атака, галваничният ток се обръща и се концентрира върху повредената зона с плътност на тока от 100 до 1000 µA/cm². Обратната галванична двойка локално корозира титан с 0,5-2 mm/годишно на мястото на повреда, причинявайки перфорация на 1,5 mm стенен нагревател в рамките на седмици до месеци. Във всяко приложение, където има вероятност от повреда на повърхността на нагревателя, електрическото разделяне на титан и въглеродна стомана е задължително. При инсталиране на титанов нагревател в резервоар от въглеродна стомана са необходими непроводими монтажни елементи и периодични проверки на съпротивлението на изолацията, за да се предотврати преждевременна повреда на нагревателя поради галванично обръщане.