Защо наличието на частици ръжда от въглеродна стомана нагоре по веригата драстично ускорява галваничната корозия на крайната капачка на титанов нагревател в саламура?

Титаниеви потопяеми нагреватели обикновено се използват в системи за солен разтвор с тръбопроводи, резервоари или топлообменници нагоре по веригата от въглеродна стомана. В саламура въглеродната стомана е обект на естествена корозия, която произвежда частици ръжда, предимно железни оксиди (Fe2O3, Fe3O4) и оксихидроксиди. Тези частици се транспортират с потока от солен разтвор и в крайна сметка се отлагат върху повърхности в системата, като крайната капачка на титановия нагревател. Крайната капачка обикновено е заварена капачка в края на нагревателната тръба, често изработена от същия клас титан, но с различно повърхностно покритие. В електролит (саламура) частиците ръжда, които се отлагат върху титан, образуват галваничен елемент. В хлоридните разтвори ръждата е електрохимично благородна спрямо титан с потенциал на покой с 200–400 mV по-положителен. Резултатът е бърза локализирана корозия на титана, заобикалящ всяка частица ръжда, което води до питинг и евентуална перфорация на крайната капачка.

Електрохимичен механизъм на галванична корозия, предизвикана от ръжда

Титанът в 3–5% NaCl саламура притежава пасивен потенциал от приблизително +0.1 до +0.3 V спрямо Ag/AgCl поради слоя си TiO₂. Частиците ръжда, особено магнетитът (Fe3O4), са полупроводими и имат смесен потенциал от +0.5 до +0.7 V спрямо Ag/AgCl. След това веригата се затваря от електролита, когато частица ръжда удари титановата повърхност. Частицата ръжда служи като катод, където се извършва редукция на кислорода: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ Титанът точно до частицата действа като анод и се разтваря като Ti4⁺. Анодната област е доста ограничена, често в рамките на 1-2 диаметъра на частиците от отлаганията на ръжда. За да се разтвори титанът със скорост 1-5 mm на година, плътността на тока на анода може да достигне до 1-5 mA/cm2. Крайната капачка е особено податлива, тъй като често е с променливо покритие на повърхността (като заварена или декапирана тръба) и може да съдържа пукнатини в края на заварката, където могат да се съберат частици ръжда.

Количествено определяне на ускоряването на скоростта на корозия от частици ръжда

Степента на корозия на титаниеви крайни капачки от клас 2 в 5% NaCl саламура при 50 градуса при настройки за контролирано изпитване са определени за следните условия на частици ръжда:

Чист саламура, без частици ръжда: Пасивна плътност на тока 0,05–0,10 µA/cm2. Скорост на корозия под 0,01 mm/година. Крайната капачка все още е блестяща и не-корозирала след 5000 часа.

Частици ръжда, нанесени при 10 ppm, течащи непрекъснато: Скорост на корозия от 0,08-0,15 mm на година. локализиран питинг в местата на контакт с частици с дълбочина на вдлъбнатините от 20-50 µm след 1000 часа.

Частиците от ръжда увеличиха скоростта на корозия на потока до 0,3-0,6 mm/година при 50 ppm. Дълбочина на вдлъбнатините 100–200 µm след 1000 часа. Крайната капачка има очевидно обезцветяване около отлаганията на частици.

Добавени частици ръжда при 200 ppm, течащи: Скорост на корозия 1,0-2,0 mm/година Дълбочините на вдлъбнатините след 1000 часа са в диапазона 300–600 µm. Перфорация на крайната капачка на 1,0 mm стена 500 до 1000 часа.

Утаяване на частици ръжда върху хоризонтална крайна капачка (застояло отлагане) Локална скорост на корозия > 5 mm/год. Пълна перфорация на 1,2 mm стандартна крайна капачка за 3–6 месеца. Дълбоката питинг прониква в засегнатата от топлина зона на заваръчния шев.

Стратегия за защита на крайната капачка за излагане на частици ръжда

Следващата таблица дава схема на вземане на решения за защита на крайните капачки на титаниеви нагреватели при ситуации на корозия нагоре по веригата от въглеродна стомана и поток от солен разтвор.

Състояние на въглеродна стомана нагоре по веригата и поток от солен разтвор Препоръчителна стратегия за защита на крайната капачка Фигура 2. Основна обосновка и намаляване на галваничната корозия
New carbon steel with less corrosion and high flow (>1 m/s) Стандартно, гладко заварено покритие, крайна капачка от степен 2. Потокът възпрепятства утаяването на частици. Приемлив риск за 3 до 5 години експлоатационен живот
Състарена въглеродна стомана с лека корозия (50-100 ppm), прекъсващ поток Крайна капачка с PTFE покритие (дебелина 0,5 mm) Покритието електрически изолира титана от частиците ръжда. Нанасяне на покритие на всеки 2 години.
Heavy corrosion upstream (>200 ppm), зони с нисък поток/застой. Дизайн на крайната капачка със само-почистващ се наклон (мин. 45 градуса). Наклонената крайна капачка спира натрупването-на частици. Нищо хоризонтално. Монтирайте филтър нагоре по веригата, за да уловите частиците ръжда.
Съществуващ нагревател с крайна капачка, показваща отлагания от ръжда. Избършете незабавно с 5% лимонена киселина и монтирайте жертвен цинков анод. Цинков анод (10 g), поставен върху крайната капачка, обръща галваничната двойка. Годишна смяна на анода.
Критична услуга, при която повредата на нагревателя не може да се толерира Титаниева крайна капачка от степен 7 с електрополирано покритие Включването на паладий подобрява потенциала на титана и намалява движещата сила за галванична корозия. Максимална надеждност.
Инженерство отвъд защитата на крайната капачка

Вторичната защита е дебелината на стената на крайната капачка. По-голямата крайна капачка (2,0 mm срещу 1,2 mm) увеличава времето до перфорация, но не намалява скоростта на корозия. Геометрията на крайната капачка е по-важна, куполообразните или конусовидни крайни капачки отделят частици, плоските крайни капачки събират отлагания. Заваръчният шев между тръбата и крайната капачка трябва да е гладък и без пукнатини, където частиците могат да се задържат. Филтрирането нагоре по веригата за отстраняване на частици ръжда, по-големи от 50 µm, може да увеличи живота на крайната капачка с фактор от 5 до 10. Магнетитът е феримагнитен. Следователно магнитен уловител в линията за солен разтвор преди нагревателя ще извлече селективно магнетитните частици.

Създаване на информирана спецификация

Когато проектирате титанов нагревател за обслужване на солен разтвор след компонентите от въглеродна стомана, включете изискване за филтриране на частици нагоре (номинално 50 µm) или магнитен сепаратор. Изберете куполообразна или конична крайна капачка вместо плоска крайна капачка. Съществуващи инсталации: проверявайте крайните капачки на тримесечие с бороскоп. Ако има отлагания с цвят на ръжда, почистете бързо със слаба киселина (5% лимонена или 10% оцетна киселина) и проверете дълбочината на вдлъбнатините с ултразвуков дебеломер. За нови инсталации в ситуации на силно ръждясване, посочете титан клас 7 за целия нагревател, включително крайната капачка, и добавете жертвен цинков анод, прикрепен към крайната капачка с титаниева жица. Цинковият анод поляризира титана до по-голям отрицателен потенциал и елиминира галваничната движеща сила с частици ръжда. Чрез решаването на проблема със замърсяването с частици ръжда на системно ниво, инженерът избягва бързата, силно локализирана корозия, която често причинява преждевременна повреда на крайната капачка в иначе корозионно{11}}устойчивите титаниеви нагреватели.