При модернизации существующего резервуара из углеродистой стали титановыми погружными нагревателями для 25% серной кислоты при температуре 95 градусов, как конфигурация комплекта нагревателей должна избегать коррозии, вызванной паразитным током?

Фундаментальный компромисс-переоборудования титанового нагревателя в резервуары из углеродистой стали
Использование титановых погружных нагревателей вместо обычных резервуаров из углеродистой стали создает проблему гальванической совместимости. В резервуаре используется 25% серная кислота при температуре 95 o C. Таким образом, с обоими материалами контактирует один и тот же проводящий электролит. Титан благороден (коррозионный потенциал около . +0.2 В по сравнению с Ag/AgCl в разбавленной серной кислоте), тогда как углеродистая сталь активна (около -0,4 В по сравнению с Ag/AgCl). Стенка резервуара находится в прямом контакте с титаном и углеродистой сталью, при этом образуется гальванический элемент, вызывающий более быструю коррозию углеродистой стали. Паразитный ток от сварки, систем заземления или близлежащих электрохимических операций также может концентрироваться на пучке титановых нагревателей. Конфигурация пучка нагревателей,-как отдельные титановые трубки уложены, закреплены и электрически изолированы-напрямую влияет на количество и распределение этих блуждающих и гальванических токов. Толщина стенки влияет на устойчивость к локализованному воздействию при концентрации токов, но основным ответом является электрическая изоляция. В этой работе определены правила конфигурации для предотвращения коррозии от паразитных токов при модернизации резервуаров из углеродистой стали.

Влияние на механическую целостность: механизмы гальванических и блуждающих токов
Если титановый нагреватель крепится непосредственно к фланцу резервуара из углеродистой стали, монтажное оборудование электрически соединяет два металла. При контакте титанового-катода и углеродистой стали-анода в 25% H 2 SO 4 при 95 градусах плотность гальванического тока может достигать 50-200 мкА/см 2 .. Этот ток разрушает углеродистую сталь со скоростью от 0,5 до 2,0 мм в год, чего достаточно, чтобы пробить стенку резервуара толщиной 6 мм за 3–12 лет. Что еще более важно, блуждающие токи от внешних источников (например, сварочных выпрямителей, систем катодной защиты или незаземленных источников питания) могут проходить по пути с низким сопротивлением через пучок титановых нагревателей. Блуждающие токи концентрируются на поверхности титана, поскольку титан имеет более низкое удельное электрическое сопротивление (55 мкОм·см), чем углеродистая сталь (15–20 мкОм·см действительно ниже для стали, но пассивное покрытие титана действует как выпрямитель). Это приводит к появлению локальных питтингов или канавок в местах соприкосновения титана с опорами резервуара или в местах пересечения трубчатого пучка. Толщина стенки обеспечивает допуск на коррозию: 1,2 мм. Титановая стенка выдерживает точечную коррозию толщиной 0,2 мм в год в течение 6 лет. Стенка толщиной 2,0 мм может прослужить 10 лет. Но стенка резервуара из углеродистой стали (обычно 6-10 мм) также подвержена коррозии, и замена резервуара обходится значительно дороже, чем замена нагревателя.

Влияние на тепловые характеристики: расстояние между пучками и распределение тока
Конфигурация пучка нагревателей влияет на текущее распределение в электролите. Расположенные близко друг к другу титановые трубки (менее 3-кратного наружного диаметра трубки от-до-расстояния между центрами) обеспечивают канал с низким сопротивлением для блуждающих токов, концентрируя плотность тока по периметру пучка. 4 до 5-кратного наружного диаметра), снижая перегрузку тока и локализованную атаку. Термическим последствием большего расстояния является увеличение занимаемой площади пучка и, возможно, более низкая однородность теплопередачи, но это приемлемо для предотвращения коррозии. Важны физическое пространство и электрическая изоляция, но не толщина стены. На текущее распределение это не влияет.

Конфигурация пакета для уменьшения паразитных токов: синтез-компромисса
Функция конфигурации пакетаРекомендация Паразитный ток Коррозионное воздействие Тепловые характеристики ВлияниеОсновные инженерные соображения
Шаг трубок (от центра-к-центру) Минимальный диаметр трубки в 4 раза. Уменьшение скопления тока на 50–70 %. Требуется большее отверстие резервуара. Электрическое сопротивление электролита увеличивается с увеличением расстояния.
Фланцевое крепление резервуара. Прокладки и втулки из ПТФЭ или PEEK изолированы. Устраняет гальванический контакт > 90% снижение пути паразитного тока. Никакого воздействия. Гальваническая цепь размыкается за счет электрической изоляции.
Держатель трубки резервуара внутриНепроводник (ПТФЭ, керамика или покрытие) Предотвращает нагрузку на имеющиеся точки опоры. Никакого эффекта. Предотвращает контакт-к-металлам между титаном и углеродистой сталью.
Пакетное заземление. Одноточечное-заземление через резистор 10 Ом. Уменьшает накопление статического заряда- и амплитуду паразитного тока. Никакого эффекта. Резистор ограничивает ток, но потенциал не может плавать.
Толщина стенки (в областях, где ток может концентрироваться) 1,5 мм - 2.0 мм Допуск на коррозию при нарушении изоляции Небольшое тепловое нарушение (поверхность на 1–2 градуса выше) Более толстая стенка может противостоять локализованному точечному образованию остаточных блуждающих токов.
Инжиниринг помимо комплексной электрической изоляции и мониторинга
Важнейшим этапом модернизации является обеспечение электрической изоляции между титановым пучком нагревателя и баком из углеродистой стали. Прокладки из ПТФЭ (толщиной 3 мм) на монтажном фланце в сочетании со шпильками с покрытием из ПТФЭ-или изолирующими втулками обеспечивают прочность > 100 M? сопротивление при 500 В постоянного тока. Это разрывает гальваническую цепь и отводит блуждающие токи от титана. Заземляющий резистор (10-50 Ом) подключается между пучком нагревателя и массой бака. Это позволяет избежать накопления статического заряда-и ограничить токи повреждения. Напряжение между титановым жгутом и стенкой резервуара периодически проверяется (высокоомным вольтметром) на предмет выявления ухудшения изоляции. Если напряжение постоянного тока превышает 0,5 В, существует вероятность активной гальванической или блуждающей коррозии.

Вывод: основной защитой является электрическая изоляция, а не толщина стенок.
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 МОм) и включите схему заземления. Производитель обогревателя должен включить в комплект комплекты изоляции, а установщик должен проверить изоляцию перед подачей питания на систему.