Як змінюється щільність гальванічного струму між титановим нагрівачем і стінкою резервуара з вуглецевої сталі, коли оксидний шар нагрівача пошкоджено?

Для інженера-технолога, який має встановити титановий занурювальний нагрівач у резервуар з вуглецевої сталі, щільність гальванічного струму між двома металами буде життєво залежати від цілісності пасивного оксидного шару на титані. Коли оксидний шар неушкоджений, титан має благородний потенціал (приблизно від +0.1 до +0.3 В порівняно з SCE) у більшості газоподібних електролітів, тоді як вуглецева сталь має більш активний потенціал (приблизно від -0,5 до -0,7 В порівняно з SCE). Гальванічний струм проходить від вуглецевої сталі (анод, що кородує) до титану (катод, захищений). Щільність струму зазвичай становить 0,1-1,0 мкА/см 2 площі поверхні титану. Коли оксидна плівка руйнується (шляхом подряпин, стирання або локалізованого хімічного впливу), відкритий титан має активний потенціал, який дорівнює або більше негативний, ніж у вуглецевої сталі (приблизно від -0,6 до -0,8 В порівняно з SCE). Гальванічний струм змінюється: титан стає анодом і швидко піддається корозії з густиною струму, що досягає 100–1000 мкА/см², тобто збільшення у 100–1000 разів. Цей зворотний гальванічний зв'язок може прожувати титановий нагрівач за лічені тижні.

Гальванічний переворот і механізм пошкодження оксидного шару
Пасивне покриття TiO₂ на титані є напівпровідником типу n- і підтримує високу щільність катодного струму для відновлення кисню, але блокує анодний струм від титанової підкладки. Титан, коли плівка не пошкоджена, є ефективним катодом, що стимулює корозію пов’язаної вуглецевої сталі. Коли плівка руйнується, оголена ділянка титану (зазвичай < 1% від загальної поверхні) стає зоною змішаного потенціалу. Велика навколишня пасивна область все ще функціонує як катод, але тепер маленька оголена титанова частина функціонує як анод. Вироблений гальванічний струм обмежений дефектом, і він створює анодний струм із щільністю 100–1000 мкА/см2, що є достатнім для підтримки активного розчинення та запобігання репасивації.

Співвідношення пошкодженої площі (A_damaged / A_passive) є ключовим параметром. Для прикладу 1 см2 подряпини на 1000 см2 нагрівача (0,1% площі пошкоджено), щільність гальванічного струму на подряпині становить (i_galvanic * A_passive) / A_damaged. Якщо щільність гальванічного струму між пасивним титаном і вуглецевою сталлю становить 0,5 мкА/см², то щільність струму на подряпині становить (0,5 × 1000) / 1=500 мкА/см²-досить для розчинення титану приблизно 0,5 мм/місяць.

Вимірювання щільності гальванічного струму на непошкодженому та пошкодженому оксиді
Умова Стан шару оксиду Потенціал титану (V проти SCE) Щільність гальванічного струму (мкА/см2 Ti) Напрям Швидкість корозії титану (мм/рік)
Подача водяного повітря, прикріплена до вуглецевої сталі Неушкоджена 0.2 0.3 сталь > Ti (корозія) < 0,01 (захищено Ti)
Аерована морська вода, 1 % подряпин на поверхні Пошкоджена (1 % площі) -0,4 (змішана) 5 (загалом) Ti (подряпина) → Сталь (місцевий) 0,5 (подряпина)
Аерована морська вода 5% поверхня подряпана Пошкоджена (5% площі) -0,5 (змішана) 10 (загалом) Ti (подряпини) → Сталь 1,0 (при подряпинах)
Деаерована морська вода, будь-який стан поверхні Пасивна плівка нестабільна від -0,6 до -0.8 50–200 Ti → Сталь (Ti роз'їдається) 2–10 (однорідний)
Intact film, acid chloride (pH 3)Intact, but less stable 0.0 to +0.1 1-5 Steel ->Ti (корозія сталі) < 0,05
Acid chloride (pH 3), scratched Damaged -0.4 to -0.6 50-500 Ti (scratch) ->Сталь 2-20 (локалізована)
Підхід-на основі сценарію для керування гальванічним зв’язком із вуглецевою сталлю
Матеріал резервуара Нагрівач Стан оксиду Електроліт Рекомендовано: Зменшення гальванічного ризику
Вуглецева сталь Без покриття Аерована морська вода Низький (сталь іржавіє, захищена Ti) Прийнятно. Необхідний захист від корозії для сталевого резервуару.
Вуглецева сталь Подряпини (механічне пошкодження) Газована морська вода Висока (Ti роз'їдається при подряпинах) Електрична ізоляція Ti від сталі. Використовуйте гумові або нейлонові шайби.
Вуглецева сталь Будь-деаерована (без кисню)Дуже висока (активна електрична ізоляція Ti. O2 не потрібен для рівномірної корозії Ti.
Неушкоджена вуглецева сталь Розбавлена ​​кислота (pH 4-6) Помірна (сталь швидко іржавіє) Електрична ізоляція. Сталь швидко ламається. Використовуйте пластиковий контейнер.
Вуглецева сталь Пошкоджена (хімічна атака) Розбавлена ​​кислота Дуже висока (Ti схильний до корозії в місцях розломів) Негайно потрібна ізоляція. замініть пошкоджений нагрівач
Нержавіюча сталь (катодна до Ti у пасивному стані) Будь-яка Від низького до помірного (Ti дещо анодна) Загалом нормально. Менш жорстке зворотне зчеплення.
Інженерні засоби пом'якшення гальванічного реверсу
Якщо титановий нагрівач має пошкоджену поверхню і буде використовуватися в резервуарі з вуглецевої сталі, він повинен бути електрично ізольований. На монтажних фланцях гальванічний ланцюг розривається нейлоновими або PTFE втулками, гумовими прокладками та не-провідними трубними з’єднаннями. Гальванічний струм має бути менше 1 мкА, що означає, що опір ізоляції має бути більше 1 МОм. Другим пом’якшенням є прикріплення тимчасового анода (цинкового або алюмінієвого) до титанового нагрівача, який утримує титан на катодному потенціалі, навіть якщо оксид пошкоджено. Титан не розчиняється. Жертвований анод розчиняється. Третім пом'якшенням є періодична анодна пасивація. Шляхом застосування короткого анодного потенціалу (+0.5 V проти SCE протягом 10 хв один раз на тиждень) пошкоджений оксидний шар відновлюється шляхом нарощування нового TiO₂ на подряпаних місцях, відновлення благородного потенціалу та повернення гальванічної пари назад до режиму сталевого-аноду.

Висновок: пошкодження оксидом змінює гальванічний струм і збільшує корозію Ti у 100-1000 разів.
Гальванічне з’єднання титанового нагрівача з вуглецевою сталлю, у той час як оксидна плівка неушкоджена, призводить до щільності струму від 0,1 до 1,0 мкА/см², сталь кородує як анод. Якщо оксид пошкоджено подряпинами, стиранням або хімічним впливом, гальванічний струм змінюється й концентрується на пошкодженій ділянці з щільністю струму від 100 до 1000 мкА/см². Зворотна гальванічна пара локально роз’їдає титан зі швидкістю 0,5-2 мм/рік у місці пошкодження, що спричиняє перфорацію 1,5-мм настінного обігрівача протягом декількох тижнів або місяців. У будь-якому застосуванні, де ймовірне пошкодження поверхні нагрівача, електричне розділення титану та вуглецевої сталі є обов’язковим. Під час встановлення титанового нагрівача в резервуар із вуглецевої сталі необхідне непровідне монтажне обладнання та періодична перевірка опору ізоляції, щоб запобігти передчасному виходу нагрівача з ладу через гальванічний переворот.