Perché la presenza di particelle di ruggine provenienti dall'acciaio al carbonio a monte accelera drasticamente la corrosione galvanica del cappuccio terminale di un riscaldatore in titanio in salamoia?

I riscaldatori ad immersione in titanio sono generalmente utilizzati in sistemi di salamoia con tubazioni, serbatoi o scambiatori di calore in acciaio al carbonio a monte. In salamoia, l'acciaio al carbonio è soggetto a corrosione naturale, che produce particelle di ruggine, principalmente ossidi di ferro (Fe2O3, Fe3O4) e ossiidrossidi. Queste particelle vengono trasportate con il flusso della salamoia e alla fine si depositano sulle superfici all'interno del sistema, come il cappuccio terminale del riscaldatore in titanio. Il cappuccio terminale è solitamente una chiusura saldata all'estremità del tubo riscaldante, spesso realizzata con lo stesso grado di titanio ma con una finitura superficiale diversa. In un elettrolita (salamoia), le particelle di ruggine che si depositano sul titanio formano una cella galvanica. Nelle soluzioni di cloruro, la ruggine è elettrochimicamente nobile al titanio con un potenziale di riposo di 200–400 mV più positivo. Il risultato è una rapida corrosione localizzata del titanio che circonda ciascuna particella di ruggine, con conseguente vaiolatura ed eventuale perforazione del cappuccio terminale.

Meccanismo elettrochimico della corrosione galvanica indotta dalla ruggine

Il titanio in salamoia NaCl al 3–5% possiede un potenziale passivo compreso tra circa +0.1 e +0.3 V rispetto ad Ag/AgCl grazie al suo strato di TiO₂. Le particelle di ruggine, in particolare la magnetite (Fe3O4), sono semiconduttrici e hanno un potenziale misto da +0.5 a +0.7 V rispetto ad Ag/AgCl. Quindi il circuito viene chiuso dall'elettrolita quando una particella di ruggine colpisce la superficie del titanio. La particella di ruggine funge da catodo, dove avviene la riduzione dell'ossigeno: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ Il titanio proprio accanto alla particella agisce come anodo e si dissolve come Ti⁴⁺. La regione anodica è piuttosto confinata, spesso entro 1-2 diametri delle particelle dal deposito di ruggine. Per sciogliere il titanio al ritmo di 1-5 mm all'anno, la densità di corrente all'anodo può raggiungere 1-5 mA/cm2. Il cappuccio terminale è particolarmente sensibile, poiché spesso ha una finitura superficiale variabile (come tubo saldato o decapato) e può contenere crepe sulla punta della saldatura dove possono accumularsi particelle di ruggine.

Quantificazione dell'accelerazione della velocità di corrosione da parte delle particelle di ruggine

I tassi di corrosione dei coupon delle estremità in titanio di grado 2 in salamoia al 5% di NaCl a 50 gradi in impostazioni di test controllate sono stati determinati per le seguenti condizioni di particelle di ruggine:

Salamoia pulita, senza particelle di ruggine: densità di corrente passiva 0,05–0,10 µA/cm2. Tasso di corrosione inferiore a 0,01 mm/anno. Il cappuccio terminale è ancora brillante e non-corroso dopo 5.000 ore.

Particelle di ruggine applicate a 10 ppm, che scorrono continuamente: tasso di corrosione di 0,08-0,15 mm all'anno. vaiolature localizzate nei punti di contatto delle particelle con profondità di 20-50 µm dopo 1000 ore.

Le particelle di ruggine hanno aumentato il tasso di corrosione da flusso a 0,3-0,6 mm/anno a 50 ppm. Profondità della fossa di 100–200 µm dopo 1000 h. Il cappuccio terminale presenta un evidente scolorimento attorno ai depositi di particelle.

Aggiunte particelle di ruggine a 200 ppm, che scorrono: tasso di corrosione 1,0-2,0 mm/anno La profondità dei pozzi dopo 1000 ore è compresa tra 300 e 600 µm. Perforazione del cappuccio terminale di una parete da 1,0 mm da 500 a 1.000 ore.

Deposito di particelle di ruggine sul cappuccio terminale orizzontale (deposito stagnante) Tasso di corrosione locale > 5 mm/anno. Perforazione completa del tappo terminale standard da 1,2 mm in 3–6 mesi. La vaiolatura profonda penetra nella zona interessata dal calore della saldatura.

Strategia di protezione all'estremità per l'esposizione alle particelle di ruggine

La tabella seguente fornisce un albero decisionale per la protezione dei cappucci terminali dei riscaldatori in titanio in situazioni di corrosione dell'acciaio al carbonio a monte e flusso di salamoia.

Condizioni dell'acciaio al carbonio a monte e strategia di protezione consigliata per il flusso dell'acqua salata Figura 2. Fondamenti fondamentali e mitigazione della corrosione galvanica
New carbon steel with less corrosion and high flow (>1 m/s) Finitura di saldatura standard e liscia, tappo terminale di grado 2 Il flusso inibisce la sedimentazione delle particelle. Rischio accettabile per una durata di servizio compresa tra 3 e 5 anni
Acciaio al carbonio invecchiato con corrosione minore (50-100 ppm), flusso intermittenteTappo terminale con rivestimento in PTFE (spessore 0,5 mm)Il rivestimento isola elettricamente il titanio dalle particelle di ruggine. Rivestimento ogni 2 anni.
Heavy corrosion upstream (>200 ppm), zone a flusso basso/stagnanti Design del tappo terminale con-pendenza autopulente (min 45 gradi). Il tappo terminale inclinato impedisce l'accumulo di-particelle. Niente di orizzontale. Installare un filtro a monte per catturare le particelle di ruggine.
Riscaldatore esistente con tappo terminale che presenta depositi di ruggine. Pulirlo immediatamente con acido citrico al 5% e installare un anodo sacrificale di zinco. L'anodo di zinco (10 g) applicato al cappuccio terminale inverte la coppia galvanica. Sostituzione annuale dell'anodo.
Servizio critico dove il guasto del riscaldatore non può essere tollerato Tappo terminale in titanio grado 7 con finitura elettrolucidata L'inclusione di palladio migliora il potenziale del titanio e riduce la forza trainante della corrosione galvanica. Massima affidabilità.
Ingegneria oltre la protezione del cappuccio terminale

La difesa secondaria è lo spessore della parete del cappuccio terminale. Il cappuccio terminale più grande (2,0 mm contro 1,2 mm) aumenta il tempo di perforazione ma non diminuisce il tasso di corrosione. La geometria del cappuccio terminale è più cruciale, i cappucci terminali a cupola o conici rilasciano particelle, i cappucci terminali piatti raccolgono i depositi. La saldatura tra il tubo e il cappuccio terminale deve essere liscia e priva di fessure in cui le particelle potrebbero rimanere intrappolate. Il filtraggio a monte per rimuovere le particelle di ruggine più grandi di 50 µm può aumentare la durata del cappuccio terminale di un fattore da 5 a 10. La magnetite è ferrimagnetica. Pertanto una trappola magnetica nella linea della salamoia a monte del riscaldatore estrarrà selettivamente le particelle di magnetite.

Fare una specifica informata

Quando si progetta un riscaldatore in titanio per il servizio salamoia a valle di componenti in acciaio al carbonio, includere un requisito per la filtrazione delle particelle a monte (50 µm nominali) o un separatore magnetico. Seleziona un cappuccio terminale a cupola o conico invece di un cappuccio terminale piatto. Installazioni esistenti: esaminare trimestralmente le testate utilizzando il periscopio. Se sono presenti depositi color ruggine-, pulire rapidamente con un acido debole (acido citrico al 5% o acido acetico al 10%) e controllare la profondità di vaiolatura con uno spessimetro a ultrasuoni. Per le nuove installazioni in situazioni di grave ruggine, specificare il titanio grado 7 per il riscaldatore completo compreso il cappuccio terminale e aggiungere un anodo sacrificale di zinco collegato al cappuccio terminale con un filo di titanio. L'anodo di zinco polarizza il titanio ad un potenziale negativo maggiore ed elimina la forza motrice galvanica con particelle di ruggine. Risolvendo il problema della contaminazione da particelle di ruggine a livello di sistema, l'ingegnere evita la corrosione rapida e altamente localizzata che spesso causa il guasto prematuro del cappuccio terminale nei riscaldatori in titanio altrimenti resistenti alla corrosione-.