Чому титановий занурювальний нагрівач у суміші етиленгліколь/вода 50/50 з 500 ppm хлориду при 90 градусах швидше виходить з ладу через щілинну корозію, ніж через рівномірне розрідження?

Комбінації етиленгліколь/вода (50/50 об.%) часто використовуються як рідини для передачі тепла в сонячних теплових системах, системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря та охолодження двигуна. При 90 градусах 500 ppm хлориду зі зношеного гліколю або підживлювальної води є ворожими для титану. Хоча титан дуже стійкий до рівномірної корозії в цій суміші, зі швидкістю корозії нижче 0,02 мм на рік, вихід з ладу в основному спричинений корозією щілин на опорах труб, фланцях і прокладках. Геометрія щілини призводить до збільшення концентрації хлоридів і зниження концентрації кисню, тоді як продукти розпаду гліколю (гліколева кислота, мурашина кислота) знижують локальний pH. Швидкість поширення щілинної корозії становить 0,3-1,0 мм/рік, що в 15-50 разів швидше, ніж рівномірне потоншення. Порушення є досить обмеженим, і відбувається перфорація, коли 95% поверхні трубки залишається неушкодженим.

Механізм домінування щілин у сумішах гліколь/вода

У масовому розчині етиленгліколь збільшує в'язкість, що зменшує дифузію кисню. Стійкість пасивної плівки гарантується достатньою концентрацією кисню та помірною концентрацією хлориду. У щілині (наприклад, під опорою з PTFE або на прокладці) кисень швидко виснажується катодними процесами та не подається. Хлориди дифундують у щілину для збереження електричної нейтральності та досягають рівнів від 2000 до 10 000 частин на мільйон. Гліколь термічно розкладається при 90 градусах до органічних кислот (гліколевої, мурашиної, щавлевої). Ці кислоти знижують локальний pH щілини до 3-4. Хлорид, низький рН і виснаження кисню разом погіршують пасивну плівку. Корозія на щілинному аноді активна, спричинена великим зовнішнім катодом решти поверхні трубки. Якщо гальванічний струм між щілиною (анодом) і зовнішньою стороною (катодом) підтримується, швидкість розчинення є значною. Згодом виникає перфорація.

Кількісне порівняння рівномірної та щілинної корозії

Контрольовані випробування у співвідношенні 50/50 етиленгліколь/вода з 500 частками на мільйон хлориду (початковий pH 6,5) при 90 градусах протягом 2000 годин виявили кардинально різні швидкості корозії. Загальна швидкість корозії гладкої труби без тріщин становить лише 0,008–0,015 мм/рік. Поверхня блискуча і без ямок, що свідчить про стійку пасивну плівку. При такій нормі товщина стінки 1,2 мм забезпечила б термін служби більше 50 років. Проте швидкість щілинної корозії становила до 0,30–0,70 мм/рік під опорою з PTFE із зазором у щілинах 0,2 мм. Стадія ініціації триває від 200 до 500 год, а борозенка глибиною 0,3–0,6 мм утворюється протягом 1000 год. З гумовою прокладкою, яка має зазор 0,1 мм, швидкість щілинної корозії зростає до 0,50–1,00 мм/рік, починаючи від 100 до 300 годин і перфоруючи стінку товщиною 1,2 мм через 1200–2400 годин. Швидкість щілинної корозії в прокатному з’єднанні труби з трубною решеткою становить 0,20–0,50 мм на рік із початком 300–800 годин.

Вплив деградації хлоридів і гліколів на серйозність щілин

Серйозність ураження тріщиною сильно залежить від стану гліколю та концентрації хлориду. Свіжий гліколь (з інгібіторами) при 100 ppm хлориду дає рН щілини 5,5 через 500 годин зі швидкістю корозії 0,10-0,25 мм на рік. Свіжий неінгібований гліколь при 500 ppm хлориду падає до pH 4,5 зі швидкістю 0,30-0,60 мм на рік. Термічно розкладений гліколь (500 годин при 90 градусах) з 500 ppm хлориду дає pH 3,5. Швидкість 0,60-1,00 мм/рік. Сильно зіпсований гліколь з більш ніж 1000 ppm органічних кислот з 1000 ppm хлориду, рН 3,0, швидкість щілинної корозії 1,00-1,80 мм на рік. За цих умов рівномірна швидкість корозії становить < 0,025 мм/рік, що вказує на щілинну корозію як домінуючий механізм руйнування.

Заходи із запобігання корозії щілин гліколю/водонагрівача

У таблиці нижче наведено вказівки щодо зменшення щілинної корозії в комбінаціях етиленгліколь/вода при 90 градусах на основі конфігурації нагрівача та оцінки ризику щілин.

Розташування щілинного нагрівача Запропонована зміна конструкції Очікувана швидкість щілинної корозії (мм/рік)
Прокладки для трубок з ПТФЕ (відстань 0,2-0,5 мм) Заміна зварних опор з високого титану<0.02
Фланці з гумовими прокладками Дуже високий Використовуйте зварні або паяні з'єднувачі<0.02
Роликові розширені труби в трубній решетці Помірне зварювання труб-до-трубної решетування після розширення 0,05–0,10
Фітинги високого стиснення Усунути; використовувати зварні фітинги<0.02
Реконструювати існуючі щілини Неможливо змінити дизайн Середній Використовуйте стрічку PTFE, щоб залатати зазор 0,15–0,30
Розробка Більше, ніж Усунення тріщин

Стійкість до щілинної корозії сильно залежить від марки титану. Клас 7 (стабілізований паладієм) має в 3-5 разів довший час початку та на 50-70% нижчу швидкість поширення, ніж клас 2 у щілинах гліколь/вода. Товщина стінки дає припуск на матеріал. Стінка товщиною 2,0 мм із щілинною корозією 0,5 мм на рік служить 4 роки, а стінка товщиною 1,2 мм – лише 2,4 роки. Пакет інгібіторів гліколю має значення; інгібітори на основі нітритів сприяють щілинній корозії титану, тоді як інгібітори на основі молібдату або азолу є доброякісними. Регулярна проба гліколю для визначення pH, концентрації хлориду та органічної кислоти робить можливим прогнозне обслуговування. Додавання моноетаноламіну для підтримки рН гліколю вище 8,0 значно зменшує атаку щілин.

Створення специфікації з розумінням

Розробте титановий занурювальний нагрівач для 50/50 етиленгліколю/води з 500 ppm хлориду при 90C. Зробіть це без-щілин: використовуйте зварні трубні опори, зварні фланці та зварні з’єднання труб--з трубною решеткою. Якщо тріщини не усунуті, використовуйте титан класу 7 і щокварталу перевіряйте всі щілини бороскопом або пенетрантом. Для обігрівачів, які вже знаходяться в експлуатації та зазнають щілинної корозії, закріпіть PTFE стрічкою або силіконовим герметиком, щоб закрити зазори, і додайте молібдат натрію до гліколю у кількості 200 ppm як інгібітор корозії. Перевірте гліколь на падіння рН нижче 6,0 під час роботи; якщо виявлено зниження pH, негайно змініть заряд гліколю. Щілинна корозія може призвести до виходу з ладу нагрівача в 15-50 разів швидше, ніж рівномірне потоншення. Знаючи це, інженер наголошує на зменшенні щілин, а не на виборі сорту матеріалу в системі етиленгліколь/вода.