Яким чином конфігурація пучка нагрівачів повинна запобігти корозії блукаючим струмом під час модернізації наявного резервуара з вуглецевої сталі титановими занурювальними нагрівачами для 25% сірчаної кислоти при 95 градусах?

Фундаментальний компроміс-від модернізації титанового нагрівача на баки з вуглецевої сталі
Використання титанових занурювальних нагрівачів замість звичайних резервуарів з вуглецевої сталі створює проблему гальванічної сумісності. Резервуар використовується з 25 % сірчаною кислотою при 95 o C. Таким чином, той самий електропровідний електроліт контактує з обома матеріалами. Титан є благородним (потенціал корозії ca. +0.2 V порівняно з Ag/AgCl у розведеній сірчаній кислоті), тоді як вуглецева сталь є активною (приблизно −0,4 V порівняно з Ag/AgCl). Стінка резервуара знаходиться в прямому контакті з титаном і вуглецевою сталлю, і утворюється гальванічний елемент, який викликає швидшу корозію вуглецевої сталі. Блукаючий струм від зварювання, систем заземлення або сусідніх електрохімічних операцій також може концентруватися на титановому нагрівачі. Конфігурація пучка нагрівачів-як окремі титанові трубки складені, підтримувані та електрично ізольовані-безпосередньо впливає на кількість і розподіл цих блукаючих і гальванічних струмів. Товщина стінки впливає на стійкість до локалізованої атаки, коли струми зосереджені, але головною відповіддю є електрична ізоляція. Ця робота визначає правила конфігурації для запобігання корозії блукаючих струмів під час модернізації резервуарів із вуглецевої сталі.

Вплив на механічну цілісність: механізми гальванічного та блукаючого струму
Якщо титановий нагрівач кріпиться безпосередньо до фланця резервуара з вуглецевої сталі, монтажне обладнання електрично з’єднує два метали. При контакті титанового -катода/вуглецевої сталі-анода в 25% H 2 SO 4 при 95 градусах щільність гальванічного струму може досягати 50-200 мкА/см 2 . Цей струм руйнує вуглецеву сталь зі швидкістю від 0,5 до 2,0 мм на рік, достатньої для перфорації 6-мм стінки бака за 3 до 12 років. Що ще важливіше, блукаючі струми від зовнішніх джерел (наприклад, зварювальних випрямлячів, систем катодного захисту або незаземлених джерел живлення) можуть проходити через титановий нагрівач через низький опір. Блукаючі струми концентруються на поверхні титану, оскільки титан має нижчий питомий електричний опір (55 мкОм·см), ніж вуглецева сталь (15–20 мкОм·см справді нижчий для сталі, але пасивне покриття титану виконує функцію випрямляча). Це призводить до локалізованої виїмки або канавок у місцях, де титан торкається опор резервуарів або в місцях перетину пучків труб. Товщина стінки забезпечує допуск до корозії: 1,2 мм титанова стінка може витримувати 0,2 мм блукаючого струму на рік протягом 6 років. Стінка товщиною 2,0 мм може прослужити 10 років. Але стінка бака з вуглецевої сталі (зазвичай 6-10 мм) також піддається корозії, і заміна бака значно дорожча, ніж заміна нагрівача.

Вплив на теплові характеристики: відстань між пучками та розподіл струму
Конфігурація пучка нагрівача впливає на поточний розподіл через електроліт. Титанові трубки, розташовані близько (відстань від центру-до-центру трубки менша ніж у 3 × OD трубки), забезпечують канал із низьким опором для блукаючих струмів, зосереджуючи щільність струму по периметру пучка. 4 до 5-разового зовнішнього діаметра), зменшує перевантаження струму та локалізовану атаку. Термічним наслідком більшого інтервалу є більший слід пучка та, можливо, менша однорідність теплопередачі, але це прийнятно для уникнення корозії. Фізичний простір і електрична ізоляція важливі, але не товщина стіни. Це не впливає на розподіл струму.

Конфігурація пакета для пом’якшення блукаючого струму: синтез компромісу-
Конфігурація комплекту Функція Рекомендація Блукаючий струм Корозія Вплив Теплові характеристики ImpactCore Інженерне міркування
Крок трубки (від-до -центру) 4× мінімальний зовнішній діаметр трубки 50-70% зменшення струму. Потрібен більший отвір бака. Електричний опір через електроліт зростає зі збільшенням відстані.
Фланцеве кріплення резервуару Прокладки та рукави з ПТФЕ або ПЕЕК ізольовані. Усуває гальванічний контакт > 90% зменшення шляху блукаючого струму Без впливу. Гальванічне коло розривається електричною ізоляцією.
Внутрішній тримач трубки резервуару Непровідний (PTFE, керамічний або з покриттям) Запобігає наголошенню на наявних опорних точках Немає ефекту Запобігає контакту -{1}}метал між титаном і вуглецевою сталлю.
Заземлення пучка. Одноточкове-заземлення за допомогою резистора 10 Ом. Зменшує статичне накопичення- та амплітуду блукаючого струму. Без ефекту. Резистор обмежує потік струму, але потенціал не може плавати.
Товщина стінки (у регіонах, де можлива концентрація струму) 1,5 мм - 2.0 мм Допуск на корозію в разі руйнування ізоляції Невелике теплове покарання (вища поверхня на 1-2 градуси) Більш товста стінка може витримувати локалізовану точкову точку від залишкових блукаючих струмів.
Електроізоляція та моніторинг поза пакетом проектування
Найважливішим етапом модернізації є забезпечення електричної ізоляції між титановим нагрівачем і баком з вуглецевої сталі. Прокладки з PTFE (товщиною 3 мм) на монтажному фланці в поєднанні зі шпильками з PTFE- покриттям або ізоляційними втулками дають > 100 M? опір при 500 В постійного струму. Це розриває гальванічне коло та відводить блукаючі струми від титану. Резистор заземлення (10-50 Ом) підключено між пучком нагрівача та землею бака. Це дозволяє уникнути статичного заряду-і обмежити струми пошкодження. Напруга між титановим пучком і стінкою резервуара періодично перевіряється (за допомогою високоомного вольтметра) для виявлення погіршення ізоляції. Якщо напруга постійного струму більше 0,5 В, існує ймовірність активної гальванічної або блукаючої корозії.

Висновок: головним захистом є електрична ізоляція, а не товщина стінок
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) і включити схему заземлення. Виробник обігрівача повинен включити комплекти ізоляції разом із комплектом, а установник повинен перевірити ізоляцію перед подачею напруги на систему.