Kuuma vee mahutitesse paigaldatud elektrilised küttetorud paigaldatakse sageli läbi süsinikterasest äärikute või toetatakse paagi seina külge keevitatud süsinikterasest kronsteinidega. Kui 316 roostevabast terasest ümbris puutub süsinikterasest konstruktsiooniga kokku juhtiva tee kaudu – näiteks metallist kinnitusklambri, keermestatud ühenduse või isegi juhtivate skaalasildade kaudu – tekib galvaaniline korrosioonielement. 316 roostevaba teras toimib katoodina (üllas) ja süsinikteras anoodina (aktiivne). Ühendamata süsteemides, millel puudub dielektriline isolatsioon või katoodkaitse, korrodeerub süsinikterasest komponent kiirendatud kiirusega. Kaubanduslike veesoojendite väljatõrgete andmed näitavad aga vähem intuitiivset järeldust: galvaaniline vool kahjustab ka 316 roostevabast terasest kesta, eriti keevitussoojus{7}}mõjutatud tsoonides. Katoodvool, mis voolab 316 pinnalt süsinikterasele läbi elektrolüüdi, nihutab 316 potentsiaali aktiivsemasse piirkonda, kus passiivne kile muutub ebastabiilseks, mis põhjustab keevisõmbluste varvaste punkt- ja pragukorrosiooni kiirenemist ning sensibiliseeritud HAZ-e. See intuitiivne mehhanism – katoodpolarisatsioon, mis põhjustab nominaalselt väärismaterjali korrosiooni – tekib seetõttu, et galvaaniline paar juhib 316 pinna aktiivsesse{13}}passiivsesse üleminekupiirkonda. Selles artiklis kvantifitseeritakse galvaanilise voolu tihedus ja korrosioonikiirus 316 süsinikusisaldusega teraspaaride jaoks kuumas vees ning esitatakse konstruktsiooni spetsifikatsioonid, et vältida nii süsinikterase raiskamist kui ka 316 keevisõmbluse rünnakut.
Galvaanilise paari ümberpööramise nähtus kuumas, madala kloriidisisaldusega-vees
Tavaline galvaaniline seeria ümbritsevas-temperatuuril merevees asetab 316 roostevaba terase vääris- (katoodterasest) süsinikteraseks, potentsiaalide erinevusega ligikaudu 300–400 mV. Süsinikteras korrodeerub ohverdavalt, kaitstes roostevaba terast. See kehtib külmas juhtivas vees. Kuid kuumas vees (60–80 kraadi) mõõduka kuni madala juhtivusega (500–3000 µS/cm) galvaaniline käitumine muutub. Roostevabast terasest passiivkile 316, mis on ümbritseva keskkonna temperatuuril stabiilne, muutub kõrgemal temperatuuril vähem kaitsvaks, eriti kloriidide jälgede juuresolekul (20–100 ppm tüüpiline olmeveele). Avatud vooluahela potentsiaal 316 80-kraadises kraanivees nihkub toatemperatuuriga võrreldes katoodselt 150–250 mV võrra, tuues selle lähemale süsinikterase korrosioonipotentsiaalile.
Galvaaniliselt ühendatud on 316-süsinikterasest paari segapotentsiaal väärtusel, kus 316 ei ole täielikult passiivne, vaid asub aktiivses -passiivses üleminekupiirkonnas. Selles potentsiaalivahemikus kogeb 316 pind perioodiliselt kile lagunemist ja taaspassiveerimist, mis põhjustab lokaalset korrosiooni kõige nõrgemates kohtades – tavaliselt keevisõmbluses HAZ, kus kroomi ammendumine ja jääkpinge kontsentraat ründavad. Potentsiodünaamilised skaneeringud 316 80-kraadises kraanivees (80 ppm Cl⁻, 200 µS/cm) näitavad passiivset piirkonda -200 kuni +150 mV versus SCE, aktiivset piiki ligikaudu -100 mV juures ja transpassiivset lagunemist üle +150 mV. 316-süsinikterasest paari segapotentsiaal (pindalade suhe 1:10, mis tähendab, et süsinikterasest anood on kümme korda suurem kui 316-katoodil) stabiliseerub -50 kuni +50 mV – täpselt aktiivse-passiivse ülemineku korral, kus passiivkile on ebastabiilne.
Kvantifitseeritud galvaanilised voolud ja korrosioonimäärad simuleeritud kuumaveehoidlas
Kontrollitud galvaanilise sidumise katsed viidi läbi, kasutades 316 roostevabast terasest mantliproovi (12 mm OD, 1,2 mm sein, sealhulgas autogeensed TIG keevisõmblused) ja süsinikterasest plaate (A36, mis esindavad paagi seina materjali). Elektrolüüdiks oli sünteetiline kraanivesi (80 ppm Cl⁻, 120 ppm SO₄2⁻, 150 ppm Ca2+, pH 7,2, juhtivus 350 uS/cm) temperatuuril 75 °C. Süsinikterase ja 316 pindala suhe varieerus vahemikus 1:1 kuni 20:1, mis esindab erinevaid küttekehade{17}}ja paagi pindalade konfiguratsioone. Nulltakistus{20}}ampermeetrid mõõtsid galvaanilist voolu ja proove uuriti 1000 tunni pärast korrosioonikahjustuste suhtes.
| Pindala suhe (süsinikteras: 316) | Galvaanilise voolu tihedus 316 (µA/cm²) | Segapotentsiaal (mV vs SCE) | Süsinikterase korrosioonikiirus (mm/aastas) | 316 keevisõmbluse HAZ aukude sügavus pärast 1000 tundi (µm) | 316 Kahjurežiim |
|---|---|---|---|---|---|
| Ühendus puudub (isoleeritud) | 0 | -180 (üksi 316) | 0,05 (taust) | 5 | Mitte ühtegi |
| 1:1 | 12 | -20 | 0.35 | 15 | Kerge söövitus keevisõmblusel |
| 5:1 | 28 | +10 | 0.85 | 45 | Kaevud HAZ-is, mitu kohta |
| 10:1 | 35 | +30 | 1.20 | 85 | Tõsine auk, seina vähendamine 1,0 mm-ni |
| 20:1 | 38 | +45 | 1.40 | 120 | Ligi-perforatsioon, ulatuslik keevisõmblus |
| 10:1 dielektrilise isolatsiooniga (nailonpuks) | 2 | -160 | 0.08 | 8 | Olulist rünnakut pole |
Pindalasuhe 20:1 (tüüpiline ühele küttekehale suures sooja tarbeveepaagis) andis galvaanilise voolutiheduse 38 µA/cm² 316 pinnal. Kuigi see vool on väike, on see piisav, et nihutada 316 potentsiaal selle isoleeritud väärtuselt -180 mV väärtusele +45 mV – 225 mV nihe aktiivne-passiivsesse üleminekusse. Süsinikteras korrodeerus kiirusega 1,4 mm aastas, mis perforeeriks 6 mm paagi seina umbes 4 aastaga. Küttekeha eluea seisukohalt veelgi olulisem on see, et 316 keevisõmbluses HAZ tekkisid juba 1000 tunni pärast keskmiselt 120 µm sügavused süvendid, kusjuures mõned süvendid tungisid 80% ulatuses läbi 1,2 mm seina.
316 Weld HAZ tundlikkus kuuma vee galvaanilise polarisatsiooni suhtes
Keevisõmbluse kuumusest{0}}mõjutatud tsoon osutus galvaaniliselt indutseeritud korrosiooni suhtes 316 kesta kõige haavatavamaks kohaks. See tundlikkus tuleneb kolmest tegurist. Esiteks sisaldab HAZ kroom-vaesestatud piirkondi (nii vähe kui 12–13% Cr), mis on tingitud keevitamise ajal sadestunud karbiidist, isegi madala süsinikusisaldusega 316 liitrises mahutis. Teiseks loob keevisõmbluse varba geomeetria prao -taolise olukorra, kus keevisõmbluse tugevdus puutub kokku mitteväärismetalliga. Kolmandaks koonduvad keevitamisel tekkivad tõmbejääkpinged HAZ-i. Galvaanilise polarisatsiooni korral tekitavad need tegurid lokaalse rünnaku voolutihedusega, mis on 5–10 korda suurem kui mitteväärismetallil.
Mikroelektroodide mõõtmised galvaanilise voolu jaotusest mööda keevitatud 316 ümbrisproovi, mis on ühendatud süsinikterasest (pindala suhe 10:1), näitasid:
Mitteväärismetall (eemal keevisõmblusest): 28 µA/cm², ühtlane
HAZ (2 mm raadiuses sulatusliinist): 110–180 µA/cm², lokaliseeritud
Keevismetall: 45 µA/cm², ühtlane
Keevisõmblus (liitmik): 220 µA/cm², väga kontsentreeritud
Kõrgenenud voolutihedus HAZ-i ja keevisõmbluse varba juures selgitab, miks süvendid tekkisid eelistatavalt nendes kohtades, mitte ülejäänud ümbrises. HAZ-i mõõdetud süvendite tekitamise potentsiaal 80-kraadises kraanivees oli -50 mV võrreldes SCE-ga, samas kui segapotentsiaal 10:1 sidestuse korral oli +30 mV – liikumapanev jõud 80 mV, mis tagas pideva aktiivse lahustumise HAZ-is.
Kujunduslahendused kuumaveepaakide galvaaniliseks isoleerimiseks
Kolm disainilahendust kõrvaldavad või leevendavad galvaanilist korrosiooni 316 kesta ja süsinikterasest paagi konstruktsioonide vahel. Kõige tõhusam on täielik dielektriline isolatsioon. Täpsustage, et kõik küttekeha kinnitusühendused – olgu need keermestatud, äärikuga või kronsteini{3}}paigaldatud – sisaldavad dielektrilisi pukse, tihendeid või hülsseid, mis tagavad 316 kesta ja mis tahes süsinikterasest komponendi vahelise elektritakistuse üle 1 MΩ. Pukside jaoks sobivad materjalid nailon,{7}}klaasiga täidetud polüpropüleen või PTFE. Dielektrilised ühendused polümeeriga-vooderdatud keermetega takistavad ka voolu liikumist läbi torustiku.
Kui täielik isoleerimine ei ole otstarbekas (nt tagantjärele paigaldatavates paigaldistes, kus kütteseade keerdub otse süsinikterasest pool{2}}muhviga), on teine lähenemisviis pindala suhte ümberpööramine. Väike süsinikterasest anood, mis on ühendatud suure 316 katoodiga, põhjustab kiiret anoodi raiskamist, kuid minimaalset 316 polarisatsiooni. Kui lisate tahtlikult asendatava süsinikterasest kaitseanoodi (nt 50 mm × 100 mm plaat, mis on poltidega kinnitatud paagi seina külge küttekeha lähedal), muutub pindala suhteks 316:anood=10:1 või suurem. Selles konfiguratsioonis jääb segapotentsiaal isoleeritud 316 potentsiaali lähedale (-150 kuni -180 mV) ja 316 ümbris jääb täielikult passiivseks. Ohverdatav anood kulub ja vahetatakse perioodiliselt välja.
Kolmas lähenemisviis kehtib uue tanki valmistamise kohta. Täpsustage, et kõik sukeldatud süsinikterasest pinnad – sealhulgas paagi sisemus ja kõik kinnitusklambrid – oleksid kaetud katoodkaitsega, näiteks kuumtsinkimine, epoksü või polüuurea. Katmata süsinikterasest keevisõmblus või lõikeserv, mille suurus on kuni 1 cm², võib põhjustada galvaanilist korrosiooni lähedalasuvale 316 kestale. Paakide jaoks, mida ei saa täielikult katta, paigaldage inertse anoodiga (segametalloksiidiga kaetud titaaniga) ja etalonelektroodiga toiteallikaga immutatud voolu katoodkaitsesüsteem. Süsteem hoiab paagi seina -800 kuni -900 mV Cu/CuSO₄ suhtes, mis kaitseb samaaegselt süsinikterast ja nihutab 316 potentsiaali ohutusse passiivsesse piirkonda.
Kuuma vee mahutiga kütteseadmete spetsifikatsioonikeel
Ostes 316 roostevabast terasest ümbrisega elektriküttetoru, mis paigaldatakse süsinikterasest kuumaveepaakidesse (sealhulgas kaubanduslikud veesoojendid, soojusmahutid ja puhverpaagid), peaksid insenerid lisama selged galvaanilise isolatsiooni nõuded. Kütteseade peab sisaldama dielektrilist isolatsiooni 316 roostevabast terasest mantli ja mis tahes süsinikterasest kinnitusdetailide (äärikud, kronsteinid või keermestatud ühendused) vahel, mis tagab minimaalse elektritakistuse 1 MΩ, mõõdetuna 500 V alalisvoolu juures. Keermestatud paigalduste jaoks määrake dielektriline ühendus või nailonist ümbris. Äärikuga paigalduste puhul määrake kõikidele poltidele dielektriliste hülssidega PTFE- või EPDM-tihendid. Uuesti paigaldatavate rakenduste puhul, kus täielikku isoleerimist ei ole võimalik saavutada, täpsustage, et kütteseadmega oleks kaasas vahetatav kaitseanood (magneesium või alumiinium), mille suurus kaitseb 316 kesta ja külgnevat süsinikterast, kusjuures anoodi mass on arvutatud NACE SP0387 järgi paagi mahu ja veekeemia jaoks. Uue paagi valmistamisel täpsustage, et kõik süsinikterasest pinnad, mis jäävad 300 mm raadiusesse küttekeha läbitungimisest, kaetakse kaitsekattega (kuiva kile paksusega vähemalt 250 µm) ja et kõiki kaetud pindu kontrollitakse pühade (nööpaugude) suhtes, kasutades madalpinge märgkäsna testerit. Käsitledes galvaanilist sidumist peamise konstruktsioonimuutujana – mitte paagi korrosioonikaitse tagajärjena – saavad insenerid ära hoida 316 ümbrise keevisõmbluse tõrkeid, mis tavaliselt ilmnevad kaitsmata süsteemides 12–24 kuu jooksul.
