I giunti flangiati sui riscaldatori ad immersione in titanio sono necessari per il montaggio attraverso le pareti del serbatoio o le penetrazioni del recipiente a pressione. La fessura tra la superficie della flangia in titanio e la guarnizione-o tra la guarnizione e la flangia di accoppiamento-crea una geometria ristretta in cui si concentrano le specie aggressive. La corrosione interstiziale si verifica quando viene superata la temperatura critica per una determinata concentrazione di cloruro. Questa temperatura critica non è fissa ma dipende direttamente dai parametri della geometria della fessura: comprimibilità del materiale della guarnizione, finitura superficiale della guarnizione e coppia del bullone (che determina l'ampiezza dello spazio). Fessure più strette (spazi più piccoli) raggiungono condizioni critiche a temperature più basse perché la diffusione dell'ossigeno nella fessura è più limitata e l'acidificazione procede più velocemente.

Meccanismo di corrosione interstiziale nei giunti flangiati

In una fessura, l'ossigeno viene consumato dalle reazioni catodiche sulle superfici all'interno dello spazio. L'ossigeno non può essere reintegrato per diffusione se lo spazio è sufficientemente stretto. La reazione anodica (dissoluzione del metallo) continua all'interno dell'interstizio, mentre le reazioni catodiche avvengono preferenzialmente all'esterno. Gli ioni cloruro migrano nella fessura per mantenere l'equilibrio di carica e gli ioni metallici si idrolizzano per produrre H⁺, abbassando il pH a 2–3. Una volta che il pH scende al di sotto del limite di stabilità del film passivo di titanio (circa 1,5–2,0 in soluzioni di cloruro), inizia una rapida corrosione attiva. Gli spazi più stretti raggiungono questa condizione critica a temperature più basse. La geometria della fessura influisce anche sulla facilità con cui i prodotti della corrosione accumulati possono fuoriuscire; i prodotti intrappolati accelerano l'attacco.

Relazione quantitativa tra interstizio e temperatura critica

Test controllati in NaCl al 3,5% (simulante dell'acqua di mare) con un formatore di fessure standardizzato (due piastre di titanio compresse insieme) hanno stabilito le seguenti temperature critiche per il titanio di grado 2:

Gap width >0,5 mm (fessura allentata): Temperatura critica superiore a 95 gradi. Diffusione dell'ossigeno sufficiente a mantenere la passività fino all'ebollizione. Corrosione interstiziale non osservata al di sotto di 95 gradi.

Larghezza dello spazio 0,25–0,5 mm (tipica guarnizione compressa): Temperatura critica di 75–85 gradi. Accettabile per la maggior parte delle applicazioni con acqua calda ma rischioso per le salamoie calde.

Larghezza dello spazio 0,10–0,25 mm (interstizio stretto grazie alla coppia elevata del bullone): Temperatura critica ridotta a 50–70 gradi. Intervallo di guasto comune per le flange del riscaldatore in acqua di mare moderatamente riscaldata.

Larghezza dello spazio 0,05–0,10 mm (contatto metallo-con-metallo con guarnizione sottile): Temperatura critica di 30–50 gradi. La corrosione interstiziale si verifica anche nell'acqua calda del rubinetto.

Larghezza dello spazio<0.05 mm (near-contact, polymer gasket fully compressed): Temperatura critica inferiore a 30 gradi . È possibile la corrosione interstiziale-a temperatura ambiente nelle acque-che contengono cloruri.

Effetto del materiale della guarnizione e della coppia dei bulloni

Il tipo di guarnizione determina l'effettiva fessura interstiziale e la comprimibilità:

Coppia dei bulloni e gravità della fessura

Una coppia di bulloni più elevata riduce lo spessore della guarnizione, restringendo lo spazio interstiziale. Per una guarnizione in PTFE, l'aumento della coppia da 10 Nm a 30 Nm riduce la larghezza dello spazio da 0,6 mm a 0,3 mm, abbassando la temperatura critica di 15–20 gradi. Una coppia eccessiva-può estrudere guarnizioni morbide, creando un contatto metallo-su-metallo in aree localizzate. La sotto-coppia lascia un ampio divario ma rischia di provocare perdite, che creano i propri problemi di erosione-corrosione.

Guida alla progettazione per la prevenzione della corrosione interstiziale

La tabella seguente fornisce raccomandazioni sulla progettazione dei giunti a flangia in base alla temperatura di servizio e alla concentrazione di cloruri:

Fare una specifica informata

Quando si specifica un giunto flangiato del riscaldatore in titanio per il servizio a temperature superiori a 50 gradi in fluidi contenenti cloruro-, è necessario un design privo di fessure-in cui il tubo in titanio sia saldato direttamente a una flangia in titanio e la faccia della flangia sia saldata o brasata all'ugello del serbatoio. Se un giunto con guarnizione è inevitabile, specificare il PTFE espanso (ePTFE) che mantiene uno spazio maggiore sotto compressione rispetto al PTFE solido. Specificare una coppia massima del bullone di 15 Nm per i dispositivi di fissaggio M10 e richiedere l'uso di chiavi dinamometriche durante l'installazione. Applicare uno strato sottile di grasso siliconico o fluorurato sulle facce della flangia per riempire le micro-fessure. Per le installazioni esistenti, ispezionare le fessure della flangia utilizzando un boroscopio o un liquido penetrante. Se si riscontra corrosione interstiziale, sostituire il giunto con guarnizione con un collegamento saldato. Controllando la geometria delle fessure attraverso la selezione della guarnizione e la limitazione della coppia dei bulloni, l'ingegnere aumenta la temperatura critica per la corrosione interstiziale di 20–40 gradi, garantendo prestazioni affidabili del giunto della flangia nei servizi con cloruro riscaldato.