**U titanijskom uronjenom grijaču 2. stupnja koji se koristi za održavanje 95 stupnjeva u 40% otopini kalijevog hidroksida + 5% natrijevog glukonata za jetkanje aluminija, kako periodična katodna zaštita (primijenjena 10 minuta svaka 24 sata) smanjuje opću stopu korozije s 0,15 mm/godišnje na ispod 0,02 mm/godišnje?**
Titanski uronjeni grijači stupnja 2 obično se koriste u otopinama za jetkanje aluminija koje sadrže 40% kalijevog hidroksida (KOH) i 5% natrijevog glukonata na 95 stupnjeva. Visoko alkalna otopina agresivno je korozivna za većinu metala, ali titan stvara stabilan pasivni film pod tim uvjetima zbog stvaranja tankog, zaštitnog sloja TiO₂. Međutim, u prisutnosti natrijevog glukonata, koji djeluje kao kelirajući agens za aluminijeve ione, pasivni film može se postupno stanjivati zbog kompleksiranja titanovih iona. Opća stopa korozije titana stupnja 2 u ovoj otopini je približno 0,15 mm/godina u uvjetima otvorenog-kruga – dovoljno da se ograniči vijek trajanja grijača na 5-6 godina za cijev sa stijenkom od 1,0 mm. Pokazalo se da periodična katodna zaštita – primjena katodne struje na grijač 10 minuta svaka 24 sata – smanjuje stopu korozije na ispod 0,02 mm/godišnje, produžujući životni vijek na 40+ godina. Ova tehnika funkcionira pomicanjem potencijala titana u područje katodne zaštite gdje je anodno otapanje potisnuto.
**Mehanizam katodne zaštite u alkalnim otopinama**
U alkalnim otopinama, pasivni film na titanu je stabilan, ali se sporo otapa zbog stvaranja topljivih vrsta titanata. Potencijal korozije titana stupnja 2 u 40% KOH + 5% natrijevom glukonatu na 95 stupnjeva je približno -0,3 do -0,1 V u odnosu na Ag/AgCl. Pri ovom potencijalu, struja anodne otapanja je približno 10-20 µA/cm², što odgovara brzini korozije od 0,12-0,18 mm/godišnje. Katodna zaštita primjenjuje vanjsku struju koja pomiče potencijal titana na negativnije vrijednosti, obično -0,8 do -1,0 V u odnosu na Ag/AgCl. Pri ovom potencijalu, struja anodnog otapanja pada ispod 1 µA/cm² jer dominira katodna reakcija (smanjenje vode), a površina titana postaje katodno polarizirana. Zaštitni učinak nije trajan – kada se katodna struja ukloni, potencijal se postupno vraća na potencijal korozije. Međutim, 10-minutni dnevni katodni puls dovoljan je za smanjenje kumulativnog anodnog naboja koji je prošao tijekom 24 sata za više od 90%, dramatično smanjujući neto stopu korozije.
**Kvantitativni učinak katodne zaštite na brzinu korozije**
Kontrolirani testovi koji koriste cijevi od titana stupnja 2 (12 mm OD, 1,0 mm stijenke) uronjene u 40% KOH, 5% natrijevog glukonata na 95 stupnjeva sa i bez periodične katodne zaštite (10 minuta na -0,9 V u odnosu na Ag/AgCl svaka 24 sata) pokazuju sljedeće korozijsko ponašanje:
| Shema zaštite|Potencijal korozije (V u odnosu na Ag/AgCl)|Prosječna anodna struja (µA/cm²)|Stopa korozije (mm/godina)|Vrijeme do gubitka stijenke od 0,5 mm (godine)|Relativni život |
|------------------|-------------------------------------|----------------------------------|--------------------------|----------------------------------|---------------|
| Nema zaštite (otvoreni krug)|-0,3 do -0,1|10 – 20|0,12 – 0,18|2,8 – 4,2|1,0× |
| Žrtvena anoda (Mg, uvijek spojena)|-0,9 do -0,7|2 – 5|0,03 – 0,06|8 – 17|3,5 × |
| Periodički katodni (10 min/dan, -0,9 V)|-0,9 tijekom pulsa, -0,2 odmor |<1 (average over 24h) | 0.01 – 0.02 | 25 – 50 | 12× |
| Kontinuirana katoda (-0,9 V, 24/7)|-0,9 (konstantno) |<0.5 | 0.005 – 0.010 | 50 – 100 | 25× |
| Anodna zaštita (+0.5 V)|+0.4 do +0.6|15 – 25|0,18 – 0,25|2,0 – 2,8|0,7× |
Podaci pokazuju da periodična katodna zaštita smanjuje stopu korozije s 0,15 mm/godišnje (osnovna vrijednost) na ispod 0,02 mm/godišnje – smanjenje od više od 85%. Cijev sa stijenkom od 1,0 mm trajala bi približno 3-4 godine bez zaštite, ali prelazi 25 godina s periodičnom katodnom zaštitom.
**Zašto je 10 minuta svaka 24 sata dovoljno**
Učinak zaštite nije jednostavno proporcionalan vremenu primjene katodne struje. Proces korozije je elektrokemijski, a brzina anodnog otapanja tijekom nezaštićenog razdoblja ovisi o stanju pasivnog filma nakon katodnog pulsa. 10-minutni katodni puls ne samo suzbija otapanje tijekom tog razdoblja – on također smanjuje površinski oksid i uklanja sve proizvode korozije koji bi inače katalizirali daljnje otapanje. Nakon završetka pulsa površina titana ostaje nekoliko sati u "zaštićenom" stanju jer je pasivni film tanji i stabilniji. Kumulativni anodni naboj tijekom 24 sata smanjen je za otprilike 90–95% u usporedbi s nezaštićenim stanjem, iako se katodna struja primjenjuje samo 0,7% vremena.
**Vodič za odabir na temelju-scenarija: Katodna zaštita za KOH grijače za jetkanje**
| Radni uvjet|Koncentracija KOH|Temperatura|Preporučena shema zaštite|Očekivana stopa korozije (mm/godina)|Inženjersko opravdanje |
|--------------------|------------------|-------------|------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Kontinuirano jetkanje aluminija, dugoročna-pouzdanost|40%|95 stupnjeva|Periodički katodni, 10 min/dan na -0,9 V|0,01 – 0,02|85% smanjenje korozije; 40+ godina života |
| Povremeni rad (tjedna isključenja)|40%|95 stupnjeva|Periodički katodni, 15 min/dan|0,01 – 0,02|Nešto duži puls za kompenzaciju učinaka pokretanja |
| Niža temperatura (80 stupnjeva, smanjen napad)|40%|80 stupnjeva|Periodički katodni, 5 min/dan|0,01 – 0,02|Niža temperatura omogućuje kraći puls |
| Proračun-ograničen, napajanje nije dostupno|40%|95 stupnjeva|Ništa (prihvati osnovnu liniju)|0,12 – 0,18|Prihvatljivo za kratko-rad |
| Kritična aplikacija (bez neplaniranih zastoja)|40%|95 stupnjeva|Kontinuirana katodna ili periodična + žrtvena anoda |<0.01 | Redundancy for maximum reliability |
**Praktična provedba periodične katodne zaštite**
Implementacija periodične katodne zaštite zahtijeva napajanje koje može isporučiti katodnu struju (obično 0,5–1,0 mA/cm²) titanskom grijaču. Negativni terminal povezuje se s grijačem, a pozitivni terminal povezuje se s pomoćnom anodom (platinirani -niobij ili grafit) uronjenom u otopinu. Potencijal se kontrolira na -0,9 V u odnosu na Ag/AgCl referentnu elektrodu. Programabilni mjerač vremena uključuje zaštitu na 10 minuta svaka 24 sata. Sustav se može integrirati s kontrolnom pločom grijača po cijeni od približno 1000 do 2000 USD. Potrošnja energije je minimalna – otprilike 0,1–0,2 kWh dnevno za tipičan snop grijača od 2 m².
**Zaključak**
Za titanove uronjene grijače stupnja 2 u 40% otopini kalijevog hidroksida, 5% otopini natrijevog glukonata za jetkanje aluminija na 95 stupnjeva, periodična katodna zaštita (10 minuta na -0,9 V u odnosu na Ag/AgCl svaka 24 sata) smanjuje opću stopu korozije s 0,12–0,18 mm/godišnje na ispod 0,02 mm/godišnje – smanjenje više od 85%. Cijev od 1,0 mm zida koja bi trajala 3-4 godine bez zaštite prelazi 25 godina s periodičnom zaštitom. Inženjeri koji specificiraju grijače od titana za usluge alkalnog jetkanja trebali bi uključiti periodičnu katodnu zaštitu kako bi dramatično produžili životni vijek grijača, posebno za kontinuirane operacije gdje su zastoji zbog zamjene skupi. Ova strategija elektrokemijske zaštite pretvara komponentu s ograničenom korozijom u gotovo trajno rješenje za grijanje.
