Zašto galvanska veza između plašta od nehrđajućeg čelika 316 i stijenki spremnika od ugljičnog čelika u nepovezanim sustavima za pohranu tople vode ubrzava koroziju zavara za faktor 20 na 60–80 stupnjeva?

Električne grijaće cijevi ugrađene u spremnike tople vode često su montirane kroz prirubnice od ugljičnog čelika ili poduprte nosačima od ugljičnog čelika zavarenim na stijenku spremnika. Kada omotač od nehrđajućeg čelika 316 dođe u kontakt sa strukturom ugljičnog čelika kroz vodljivi put – kao što je metalni nosač za ugradnju, navojni spoj ili čak kroz vodljive premosnice – uspostavlja se galvanska korozivna ćelija. Nehrđajući čelik 316 djeluje kao katoda (plemeniti), a ugljični čelik kao anoda (aktivna). U nepovezanim sustavima koji nemaju dielektričnu izolaciju ili katodnu zaštitu, komponenta ugljičnog čelika korodira ubrzanim stopama. Međutim, podaci o kvarovima komercijalnih grijača vode otkrivaju manje intuitivno otkriće: galvanska struja također oštećuje omotač od nehrđajućeg čelika 316, posebno u zonama-zahvaćenih toplinom zavara. Katodna struja koja teče od površine 316 do ugljičnog čelika kroz elektrolit pomiče potencijal 316 u aktivnije područje gdje pasivni film postaje nestabilan, što dovodi do ubrzane rupičaste i pukotinske korozije na vrhovima zavara i osjetljivih HAZ-ova. Ovaj kontraintuitivni mehanizam – katodna polarizacija koja uzrokuje koroziju nominalno plemenitog materijala – događa se jer galvanski par tjera površinu 316 u aktivno-pasivno prijelazno područje. Ovaj članak kvantificira gustoće galvanske struje i stope korozije za parove od ugljičnog čelika 316 u vrućoj vodi i daje specifikacije dizajna za sprječavanje rasipanja ugljičnog čelika i oštećenja zavara 316.

Fenomen preokreta galvanskog para u vrućoj vodi s niskim-kloridom

Konvencionalni galvanski niz u morskoj-temperaturi okolnog čelika svrstava nehrđajući čelik 316 kao plemeniti (katodni) u odnosu na ugljični čelik, s potencijalnom razlikom od približno 300–400 mV. Ugljični čelik žrtveno korodira, štiteći nehrđajući čelik. To vrijedi i za hladne, vodljive vode. Međutim, u vrućoj vodi (60-80 stupnjeva ) s umjerenom do niskom vodljivošću (500-3000 µS/cm), galvansko ponašanje se mijenja. Pasivni film od nehrđajućeg čelika 316, stabilan na sobnoj temperaturi, postaje manje zaštićen na povišenim temperaturama, osobito u prisutnosti klorida u tragovima (20–100 ppm tipično za gradsku vodu). Potencijal otvorenog kruga od 316 u vodi iz slavine od 80 stupnjeva pomiče se katodno za 150–250 mV u usporedbi s njegovom vrijednošću sobne temperature, približavajući ga potencijalu korozije ugljičnog čelika.

Kada je galvanski spojen, mješoviti potencijal para ugljičnog čelika 316-nalazi se na vrijednosti gdje 316 nije potpuno pasivan, već se nalazi u aktivno-pasivnom prijelaznom području. U ovom potencijalnom rasponu, površina 316 doživljava periodičko lomljenje filma i repasivaciju, što dovodi do lokalizirane korozije na najslabijim mjestima – obično u zavarenom HAZ-u, gdje se osiromašenje kroma i zaostalo naprezanje koncentriraju. Potenciodinamička skeniranja 316 u vodi iz slavine od 80 stupnjeva (80 ppm Cl⁻, 200 µS/cm) pokazuju pasivno područje od -200 do +150 mV u odnosu na SCE, aktivni vrh na približno -100 mV i transpasivni slom iznad +150 mV. Mješoviti potencijal para ugljičnog čelika 316 (omjer površine 1:10, što znači da je anoda od ugljičnog čelika deset puta veća od katode 316) stabilizira se na -50 do +50 mV – točno u prijelazu aktivno-pasivno gdje je pasivni film nestabilan.

Kvantificirane galvanske struje i stope korozije u simuliranom spremniku tople vode

Eksperimenti kontroliranog galvanskog spajanja provedeni su korištenjem 316 uzoraka plašta od nehrđajućeg čelika (12 mm OD, 1,2 mm stijenke, uključujući autogene TIG zavare) i ploča od ugljičnog čelika (A36, predstavlja materijal stijenke spremnika). Elektrolit je bila sintetička voda iz slavine (80 ppm Cl⁻, 120 ppm SO₄²⁻, 150 ppm Ca²⁺, pH 7,2, vodljivost 350 µS/cm) na 75 stupnjeva. Omjer površine ugljičnog čelika prema 316 varirao je od 1:1 do 20:1, što predstavlja različite konfiguracije površine grijača-na-spremniku. Ampermetri s nultim -otporom mjerili su galvansku struju, a uzorci su ispitani nakon 1000 sati na oštećenja od korozije.

Omjer površine 20:1 (tipičan za jedan grijač u velikom spremniku tople vode za kućanstvo) proizveo je gustoću galvanske struje od 38 µA/cm² na površini 316. Iako mala, ova struja je dovoljna da pomakne potencijal 316 sa svoje izolirane vrijednosti od -180 mV na +45 mV – pomak od 225 mV u aktivno-pasivni prijelaz. Ugljični čelik korodirao je brzinom od 1,4 mm godišnje, što bi probušilo stijenku spremnika od 6 mm za približno 4 godine. Što je još važnije za vijek trajanja grijača, 316 zavareni HAZ razvio je udubljenja prosječne dubine od 120 µm nakon samo 1000 sati, pri čemu su neki udubljenja prodrli 80% kroz stijenku od 1,2 mm.

Osjetljivost 316 Weld HAZ na galvansku polarizaciju u vrućoj vodi

Zona zahvaćena toplinom -zavara pokazala se kao najosjetljivije mjesto na omotaču 316 za galvanski induciranu koroziju. Ova osjetljivost proizlazi iz tri čimbenika. Prvo, ZUT sadrži područja osiromašena -kromom (samo 12–13% Cr) zbog taloženja karbida tijekom zavarivanja, čak i u 316L s niskim udjelom ugljika. Drugo, geometrija zavarenog vrha stvara stanje -slično pukotini gdje se ojačanje zavara susreće s osnovnim metalom. Treće, zaostala vlačna naprezanja od zavarivanja koncentrirana su u ZUT-u. Pod galvanskom polarizacijom, ovi čimbenici se kombiniraju kako bi proizveli lokalizirani napad pri gustoći struje 5-10 puta većoj nego na osnovnom metalu.

Mjerenja distribucije galvanske struje pomoću mikroelektroda duž uzorka zavarenog plašta 316 spojenog na ugljični čelik (omjer površine 10:1) pokazala su:

Osnovni metal (dalje od zavara): 28 µA/cm², ravnomjeran

ZUT (unutar 2 mm od linije spajanja): 110–180 µA/cm², lokalizirano

Metal zavara: 45 µA/cm², jednoličan

Zavareni vrh (spoj): 220 µA/cm², visoko koncentriran

Povišena gustoća struje u ZUT-u i na vrhu zavara objašnjava zašto se jamičasta pojava prvenstveno javlja na tim mjestima, a ne na ostatku plašta. Izmjereni potencijal pitinga ZUT-a u vodi iz slavine od 80 stupnjeva bio je -50 mV u odnosu na SCE, dok je mješoviti potencijal ispod 10:1 sprezanja bio +30 mV – pokretačka sila od 80 mV koja je osiguravala kontinuirano aktivno otapanje u ZUT-u.

Projektna rješenja za galvansku izolaciju u spremnicima tople vode

Tri pristupa dizajnu uklanjaju ili ublažavaju galvansku koroziju između 316 omotača i struktura spremnika od ugljičnog čelika. Najučinkovitija je potpuna dielektrična izolacija. Navedite da svi priključci za ugradnju grijača – bilo da su s navojem, prirubnicom ili-montirani na nosač – uključuju dielektrične čahure, brtve ili rukavce koji pružaju električni otpor veći od 1 MΩ između omotača 316 i bilo koje komponente od ugljičnog čelika. Najlon, polipropilen ispunjen staklom-ili PTFE prikladni su materijali za čahure. Dielektrični spojevi s polimerom-obloženim nitima također sprječavaju protok struje kroz sustav cjevovoda.

Kada je potpuna izolacija nepraktična (npr. u naknadnim instalacijama gdje grijač izravno ulazi u polu-spojnicu od ugljičnog čelika), drugi pristup je obrnuti omjer površine. Mala anoda od ugljičnog čelika povezana s velikom katodom 316 uzrokuje brzo trošenje anode, ali minimalnu 316 polarizaciju. Namjernim dodavanjem zamjenjive žrtvene anode od ugljičnog čelika (npr. ploča od 50 mm × 100 mm pričvršćena za stijenku spremnika u blizini grijača), omjer površine postaje 316:anoda=10:1 ili veći. U ovoj konfiguraciji, miješani potencijal ostaje blizu izoliranog potencijala 316 (-150 do -180 mV), a omotač 316 ostaje potpuno pasivan. Žrtvena anoda se troši i povremeno mijenja.

Treći pristup odnosi se na izradu novih spremnika. Navedite da sve uronjene površine od ugljičnog čelika – uključujući unutrašnjost spremnika i sve nosače za ugradnju – imaju katodni zaštitni premaz kao što je vruće{1}}cinčavanje, epoksid ili poliurea. Nepremazan zavar ili rezni rub od ugljičnog čelika od samo 1 cm² može izazvati galvansku koroziju na obližnjem omotaču 316. Za spremnike koji se ne mogu u potpunosti obložiti, ugradite katodni zaštitni sustav pod utjecajem struje s inertnom anodom (titan presvučen miješanim metalnim oksidom) i referentnom elektrodom. Sustav održava stijenku spremnika na -800 do -900 mV u odnosu na Cu/CuSO₄, što istovremeno štiti ugljični čelik i prebacuje potencijal 316 u sigurno pasivno područje.

Jezik specifikacije za grijače spremnika tople vode

Prilikom nabave električnih grijaćih cijevi obloženih nehrđajućim čelikom 316 za ugradnju u spremnike tople vode od ugljičnog čelika – uključujući komercijalne grijače vode, posude za skladištenje topline i međuspremnike – inženjeri bi trebali uključiti izričite zahtjeve za galvansku izolaciju. Sklop grijača mora sadržavati dielektričnu izolaciju između omotača od nehrđajućeg čelika 316 i svih komponenti za ugradnju od ugljičnog čelika (prirubnice, nosači ili navojni spojevi), pružajući minimalni električni otpor od 1 MΩ izmjeren pri 500 V DC. Za instalacije s navojem odredite dielektrični spoj ili najlonski prsten. Za instalacije s prirubnicom odredite PTFE ili EPDM brtve s dielektričnim rukavima na svim vijcima. U primjenama naknadne ugradnje gdje se ne može postići potpuna izolacija, navedite da grijač prati zamjenjiva žrtvena anoda (magnezij ili aluminij) veličine za zaštitu omotača 316 i susjednog ugljičnog čelika, s masom anode izračunatom prema NACE SP0387 za volumen spremnika i kemiju vode. Za izradu novog spremnika, odredite da sve površine ugljičnog čelika unutar 300 mm od bilo kojeg prodora grijača dobiju zaštitni premaz (minimalno 250 µm debljine suhog filma) i da se sve obložene površine pregledaju na praznine (rupice) pomoću nisko-naponskog testera s mokrom spužvom. Obraćajući se na galvansko spajanje kao primarnu varijablu dizajna – a ne kao naknadnu misao za zaštitu spremnika od korozije – inženjeri mogu spriječiti 316 kvarova zavara plašta koji se obično pojavljuju unutar 12-24 mjeseca u nezaštićenim sustavima.