Для титанового занурювального нагрівача, встановленого в системі очищення фільтрату звалища (з високим вмістом аміаку, хлоридів, бікарбонатів, рН 8,5, 40 градусів), чому товста стінка є контрпродуктивною, оскільки сприяє щілинній корозії під впливом морського зростання?

Базовий компроміс у конструкції титанового нагрівача для очищення фільтрату
Системи очищення фільтрату звалищ працюють при рН 8,5 і 40 градусів, з високими концентраціями аміаку (NH₃), хлоридів (2000–10 000 ppm) і бікарбонатів (HCO3⁻). Титанові занурювальні нагрівачі підтримують температуру для операцій біологічного очищення. Оболонка нагрівача схильна до накопичення морського росту (біоплівка, водорості та бактеріальний слиз), особливо в опорних кронштейнах і в місцях із низьким -потоком. Це біологічне зростання створює проміжки між зростаючим шаром і поверхнею титану. У цих тріщинах виснаження кисню та накопичення хлоридів може зруйнувати пасивне покриття. Товщина титанової стінки впливає на температуру в місці щілини: товща стінка гарячіша, що прискорює біологічний ріст і хімічні реакції, які сприяють корозії щілини. Дослідження показує, чому товста стінка марна для роботи з фільтратом і натомість сприяє щілинній корозії, якій вона могла б протистояти інакше.

Вплив на механічну цілісність: щілинна корозія під біообростанням
Об’ємні умови фільтрату звалища при 40 градусах не є дуже жорсткими для титану. Однак середовище виглядає зовсім інакше, якщо воно вкрите шаром біологічного розвитку (товщиною 1–5 мм). Аеробні бактерії поглинають кисень. Це призводить до безкисневих ситуацій. Хлориди концентруються шляхом випаровування через пористу біоплівку. Бактерії, що окислюють аміак, створюють азотисту кислоту (HNO2), яка знижує локальний pH до 4-5. Бікарбонати розпадаються до CO₂, що ще більше підкислює тріщину. Титан схильний до щілинної корозії в безкисневому, кислотному та високохлоридному середовищах.

Вирішальним параметром є температура на контакті титан/біоплівка. Підвищений електричний опір товстої титанової стінки призводить до того, що зовнішня поверхня стає на 2-4 градуси гарячішою за тієї самої щільності потужності. Це невелике підвищення температури прискорює темпи біологічного росту (подвоєння кожні 10 градусів для кількох мікроорганізмів). Більш товсті стінки також довше зберігають тепло під час-циклів вимкнення, створюючи тепле вологе середовище, яке сприяє стійкості біоплівки. Польові дослідження на очисних спорудах фільтрату демонструють, що титанові стінки товщиною 1,0 мм створюють біоплівку, але виявляють незначну щілинну корозію (0,05 мм на рік), тоді як стінки товщиною 2,0 мм викликають інтенсивну атаку щілин (0,3–0,5 мм на рік) за тих самих умов біологічного розвитку. Вища температура поверхні товстої стінки посилює метаболізм біоплівки та виробляє більш агресивні побічні продукти.

Ізоляція біоплівки: вплив на теплові характеристики
Сама біоплівка є ізолятором (k≈0,6 Вт/м·К). Ефект 2-міліметрової біоплівки полягає у підвищенні температури на ΔT=q * t_biofilm / k_biofilm 2,0 Вт/см2, ΔT=20,000 × 0,002 / 0.6=67 градус Титанова поверхня під біоплівкою досягає 107 oC (40 oC в масі + 67 oC) уже перед нанесенням крапля з титанової стінки. Висока температура денатурує білки та може вбити біоплівку, але також прискорює хімічну корозію щілин. Товстіша титанова стінка додає додаткові 2–3 градуси, підвищуючи температуру в області, де швидкість щілинної корозії подвоюється.

Компроміс-синтезу: товщина стінки проти щілинної корозії, спричиненої біоплівкою
Товщина стінки (мм) Температура поверхні (градус) при 2,0 Вт/см² Швидкість росту біоплівки Швидкість щілинної корозії біоплівки (мм/рік) Термін служби (дорівнює стінці 1,5 мм)
0,8 мм 43 градуси (еталон) Помірний 0,03 мм/рік 25 років (з періодичним видаленням біоплівки)
1,0 мм 44 градуси Помірний (+) 0,05 мм/рік 15 років
1,2 мм 45 градусів Середній (++) 0,08 мм/рік 9 років 1,5 мм 46,5 градусів Високий 0,15 мм/рік 5 років
2,0 мм 48 градусів Високий (+) 0,30 мм/рік 2,5 роки
Більш товсті стінки зменшують термін служби, оскільки вони сприяють утворенню біоплівки та кінетиці щілинної корозії. У системі фільтрації стінка 2,0 мм руйнується в 6 разів швидше, ніж стінка 1,0 мм.

Запобігання утворенню біоплівки та очищення: інженерія за стіною
Більш товсті стіни тільки погіршують ситуацію, тому техніка повинна бути спрямована на запобігання біоплівки. Полірування титанової поверхні до Ra < 0,2 мкм знижує адгезію бактерій на 70-90%, тим самим сповільнюючи утворення біоплівки. Особливо добре працюють електрополіровані поверхні. Щотижневе промивання теплою водою (50 градусів) або помірним хлорованим розчином (10 ppm вільного хлору) протягом 30 хвилин усуває біоплівку до того, як вона досягне критичної товщини. Щотижневе очищення виключає товщину стінок як фактор. За умови щотижневого очищення стінки товщиною 1,0 мм прослужать 10+ років, як і стінки товщиною 2,0 мм. Біоплівка ніколи не утворюється. Або покриття проти обростання на основі силікону (оновлюється кожні 6 місяців), яке повністю запобігає біологічному прикріпленню.

Висновок: тонка стінка (1,0 мм) бажана для роботи з фільтрацією
Для титанових занурювальних нагрівачів у системах очищення фільтрату звалищ із високим вмістом аміаку, хлоридів і бікарбонатів при рН 8,5 і 40 градусів товста стінка є контрпродуктивною, оскільки вона посилює щілинну корозію під впливом морського зростання. 2–4 градуси гарячіше, товща стінка означає швидшу швидкість біологічного розвитку та хімічну щілинну корозію. Польові дослідження показують, що стінка товщиною 2,0 мм руйнується через 2,5 роки, тоді як стінка товщиною 1,0 мм виживає 15 років за ідентичних умов біоплівки. Пропонована конструкція являє собою титанову оболонку 2 класу з товщиною стінки 1,0 мм, електрополірованою поверхнею (Ra менше або дорівнює 0,2 мкм) і процедурою очищення теплою-водою на тиждень. Уникайте більш товстих стінок (більше або дорівнює 1,5 мм). При визначенні нагрівачів для очищення фільтрату виробнику слід надати розрахункову швидкість біологічного забруднення та частоту очищення. Товщина стінки не замінить тривалий термін служби. Уникнення біоплівки значно краще. Краще тонка стіна, яку часто очищають, ніж товста стіна, яка зовсім не чиститься.