Quando si aggiorna un serbatoio esistente in acciaio al carbonio con riscaldatori ad immersione in titanio per acido solforico al 25% a 95 gradi, come dovrebbe la configurazione del gruppo riscaldatore evitare la corrosione da corrente vagante?

Il compromesso fondamentale-dall'ammodernamento dei riscaldatori in titanio con i serbatoi in acciaio al carbonio
L'uso di riscaldatori ad immersione in titanio al posto dei tradizionali serbatoi in acciaio al carbonio crea un problema di compatibilità galvanica. Il serbatoio viene utilizzato con acido solforico al 25% a 95 oC. Pertanto lo stesso elettrolita conduttivo è in contatto con entrambi i materiali. Il titanio è nobile (potenziale di corrosione ca. +0.2 V rispetto ad Ag/AgCl in acido solforico diluito) mentre l'acciaio al carbonio è attivo (circa −0,4 V rispetto ad Ag/AgCl). La parete del serbatoio è a diretto contatto con il titanio e l'acciaio al carbonio e si forma una cella galvanica che provoca una corrosione più rapida dell'acciaio al carbonio. Anche la corrente dispersa proveniente da saldature, sistemi di messa a terra o operazioni elettrochimiche vicine può concentrarsi sul fascio di riscaldatori in titanio. La configurazione del fascio riscaldatore-il modo in cui i singoli tubi di titanio sono impilati, supportati e isolati elettricamente-influenza direttamente la quantità e la distribuzione di queste correnti vaganti e galvaniche. Lo spessore della parete influenza la resistenza agli attacchi localizzati quando le correnti sono concentrate, ma la risposta principale è l'isolamento elettrico. Questo lavoro specifica le regole di configurazione per prevenire la corrosione da correnti vaganti durante l'adeguamento dei serbatoi in acciaio al carbonio.

Effetto sull'integrità meccanica: meccanismi di corrente galvanica e vagante
Se un riscaldatore in titanio è fissato direttamente alla flangia del serbatoio in acciaio al carbonio, l'hardware di montaggio unisce elettricamente i due metalli. Al contatto dell'anodo di titanio-catodo/acciaio al carbonio- in H 2 SO 4 al 25% a 95 gradi, la densità di corrente galvanica può arrivare fino a 50-200 µA/cm 2 . Questa corrente distruggerà l'acciaio al carbonio a una velocità compresa tra 0,5 e 2,0 mm all'anno, sufficiente a perforare una parete del serbatoio da 6 mm in 3-12 anni. Ancora più importante, le correnti vaganti provenienti da fonti esterne (ad esempio, raddrizzatori di saldatura, sistemi di protezione catodica o alimentatori senza messa a terra) possono intraprendere un percorso a bassa resistenza attraverso il fascio del riscaldatore in titanio. Le correnti vaganti si concentrano sulla superficie del titanio perché il titanio ha una resistività elettrica inferiore (55 µΩ·cm) rispetto all'acciaio al carbonio (15–20 µΩ·cm è realmente inferiore per l'acciaio, ma il rivestimento passivo del titanio funziona come un raddrizzatore). Ciò si traduce in vaiolature o scanalature localizzate nei punti in cui il titanio tocca i supporti del serbatoio o dove si incrociano i tubi del fascio. Lo spessore della parete fornisce un margine di corrosione: 1,2 mm di parete in titanio possono resistere a 0,2 mm di vaiolatura di corrente vagante all'anno per 6 anni. Un muro di 2,0 mm può durare 10 anni. Ma anche la parete del serbatoio in acciaio al carbonio (normalmente 6-10 mm) è soggetta a corrosione e la sostituzione del serbatoio è notevolmente più costosa della sostituzione del riscaldatore.

Effetto sulle prestazioni termiche: spaziatura dei fasci e distribuzione della corrente
La configurazione del fascio riscaldatore influenza la distribuzione attuale attraverso l'elettrolita. I tubi in titanio disposti ravvicinati (meno di 3× diametro esterno del tubo dal centro-al-centro) forniscono un canale a bassa resistenza per le correnti vaganti, concentrando la densità di corrente sul perimetro del fascio. 4 a 5 volte il diametro esterno) riducono la congestione di corrente e l'attacco localizzato. La conseguenza termica di una spaziatura più ampia è una maggiore impronta del fascio e possibilmente una minore omogeneità del trasferimento di calore, ma ciò è accettabile per evitare la corrosione. Lo spazio fisico e l'isolamento elettrico sono importanti, ma non lo spessore delle pareti. Non ha alcun effetto sulla distribuzione attuale.

Configurazione del pacchetto per la mitigazione delle correnti vaganti: sintesi del compromesso-
Configurazione del pacchetto Funzione Raccomandazione Corrente vagante Corrosione Impatto Prestazioni termiche Impatto Fondamento Ragionamento ingegneristico
Passo del tubo (da centro-a-centro)4 volte il diametro esterno minimo del tuboRiduzione del 50-70% dell'affollamento di correnteRichiede un'apertura del serbatoio più grandeLa resistenza elettrica attraverso l'elettrolita aumenta con l'aumentare della distanza.
Montaggio su flangia del serbatoioGuarnizioni e manicotti in PTFE o PEEK isolatiElimina il contatto galvanico Riduzione > 90% del percorso della corrente vaganteNessun impatto Il circuito galvanico è interrotto dall'isolamento elettrico.
Supporto per tubo del serbatoio all'internoNon conduttore (PTFE, ceramica o rivestito)Previene l'enfasi sui punti di supporto presentiNessun effetto Previene il contatto metallo-a-metallo tra titanio e acciaio al carbonio.
Messa a terra del fascio Messa a terra a-punto singolo tramite resistore da 10 ΩRiduce l'accumulo statico-e l'ampiezza della corrente vaganteNessun effetto Il resistore limita il flusso di corrente ma il potenziale non può fluttuare.
Spessore della parete (nelle regioni in cui la corrente può concentrarsi)1,5 mm - 2.0 mm Tolleranza alla corrosione in caso di guasto dell'isolamento Leggera penalizzazione termica (superficie più alta di 1-2 gradi) La parete più spessa può resistere alla vaiolatura localizzata dovuta alle correnti vaganti residue.
Ingegneria oltre il pacchetto Isolamento elettrico e monitoraggio
La fase più importante del retrofit è fornire l'isolamento elettrico tra il fascio riscaldatore in titanio e il serbatoio in acciaio al carbonio. Le guarnizioni in PTFE (spessore 3 mm) sulla flangia di montaggio, in combinazione con prigionieri rivestiti in PTFE-o manicotti isolanti, forniscono > 100 M? resistenza a 500 Vcc. Questo interrompe il circuito galvanico e allontana le correnti vaganti dal titanio. Un resistore di terra (10-50 Ω) è collegato tra il fascio del riscaldatore e la terra del serbatoio. Ciò evita l'accumulo di cariche statiche-e limita le correnti di guasto. La tensione tra il fascio di titanio e la parete del serbatoio viene periodicamente controllata (con un voltmetro ad alta impedenza) per rilevare il degrado dell'isolamento. Se la tensione CC è superiore a 0,5 V, esiste la possibilità di corrosione galvanica attiva o da corrente vagante.

Conclusione: la difesa principale è l'isolamento elettrico, non lo spessore delle pareti
The titania immersion heaters for 25% sulphuric acid at 95°C were retrofitted to an existing carbon steel tank and electrical isolation of the titania from the carbon steel tank was required to prevent stray current and galvanic corrosion not increased titanium wall thickness. The suggested setup is PTFE isolation gaskets at all mounting locations, non-conductive tube supports (ceramic or PTFE), tube spacing of at least 4× OD, and single point grounding via a 10 Ω resistor. When properly isolated, the corrosion mechanism is uniform acid attack (0.02 – 0.05 mm per year) and a service life of 10+ years can be achieved with a conventional titanium wall thickness of 1.2 – 1.5 mm. Even a 3.0 mm titanium wall without insulation will not prevent the carbon steel tank against galvanic perforation. When specifying a retrofit heater bundle, expect documented electrical isolation testing (megger test at 500 V DC, >100 MΩ) e includere uno schema di messa a terra. Il produttore del riscaldatore dovrà includere kit di isolamento nel pacchetto e l'installatore dovrà verificare l'isolamento prima di mettere sotto tensione il sistema.