Електричне цеви за грејање инсталиране у резервоарима топле воде често се монтирају кроз прирубнице од угљеничног челика или подупиру носачима од угљеничног челика завареним на зид резервоара. Када омотач од нерђајућег челика 316 дође у контакт са структуром од угљеничног челика кроз проводљиву стазу – као што је метални монтажни држач, навојна веза или чак кроз проводне мостове – успоставља се ћелија галванске корозије. Нерђајући челик 316 делује као катода (племенити), а угљенични челик као анода (активан). У невезаним системима којима недостаје диелектрична изолација или катодна заштита, компонента од угљеничног челика кородира убрзаном брзином. Међутим, подаци о кваровима на терену из комерцијалних бојлера откривају мање интуитиван налаз: галванска струја такође оштећује плашт од нерђајућег челика 316, посебно на зонама које су погођене топлотом{7}}вара. Катодна струја која тече од површине 316 до угљеничног челика кроз електролит помера потенцијал 316 у активнији регион где пасивни филм постаје нестабилан, што доводи до убрзане корозије удубљења и пукотина на врховима завара и осетљивих ХАЗ. Овај контраинтуитивни механизам – катодна поларизација која изазива корозију номинално племенитог материјала – настаје зато што галвански пар покреће површину 316 у активни-пасивни прелазни регион. Овај чланак квантификује густину галванске струје и стопе корозије за парове од угљеничног челика 316 у топлој води и даје спецификације дизајна како би се спречило трошење угљеничног челика и напад 316 завара.
Феномен преокрета галванског пара у врућој води са мало{0}}хлорида
Конвенционална галванска серија у морској води на амбијенталној{0}температури поставља нерђајући челик 316 као племенити (катодни) до угљенични челик, са потенцијалном разликом од приближно 300–400 мВ. Угљенични челик пожртвовано кородира, штитећи нерђајући челик. Ово остаје тачно у хладним, проводним водама. Међутим, у топлој води (60–80 степени) са умереном до ниском проводљивошћу (500–3000 µС/цм), галванско понашање се мења. Пасивна фолија од нерђајућег челика 316, стабилна на температури околине, постаје мање заштићена на повишеним температурама, посебно у присуству хлорида у траговима (20–100 ппм типично за комуналну воду). Потенцијал отвореног кола од 316 у води из славине од 80 степени катодно се помера за 150–250 мВ у поређењу са вредношћу собне температуре, приближавајући га потенцијалу корозије угљеничног челика.
Када је галвански спојен, мешовити потенцијал пара од угљеничног челика 316- лежи на вредности где 316 није потпуно пасиван већ се налази у активном-пасивном прелазном региону. У овом потенцијалном опсегу, површина 316 доживљава периодично распадање филма и репасивацију, што доводи до локализоване корозије на најслабијим местима – типично на ХАЗ шава, где нападају осиромашење хрома и концентрат заосталог напрезања. Потенциодинамичка скенирања од 316 у води из славине од 80 степени (80 ппм Цл⁻, 200 µС/цм) показују пасивни регион од -200 до +150 мВ у односу на СЦЕ, активни пик на приближно -100 мВ и транспасивни слом изнад +150 м. Мешовити потенцијал пара од 316-угљеничног челика (однос површина 1:10, што значи да је анода од угљеничног челика десет пута већа од катоде 316) стабилизује се на -50 до +50 мВ – квадратно у активно-пасивном прелазу где је пасивни филм нестабилан.
Квантификоване галванске струје и стопе корозије у симулираном складиштењу топле воде
Експерименти контролисаног галванског спајања спроведени су коришћењем 316 узорака омотача од нерђајућег челика (12 мм ОД, 1,2 мм зида, укључујући аутогене ТИГ заварене шавове) и плоча од угљеничног челика (А36, које представљају материјал зида резервоара). Електролит је била синтетичка вода из славине (80 ппм Цл⁻, 120 ппм СО₄²⁻, 150 ппм Ца²⁺, пХ 7,2, проводљивост 350 µС/цм) на 75 степени. Однос површине угљеничног челика према 316 варирао је од 1:1 до 20:1, што представља различите конфигурације површине грејача-на-површине резервоара. Амперметри нултог отпора{20}}мерили су галванску струју, а узорци су након 1000 сати испитани на оштећења од корозије.
| Однос површине (угљенични челик:316) | Густина галванске струје на 316 (µА/цм²) | Мешовити потенцијал (мВ у односу на СЦЕ) | Стопа корозије угљеничног челика (мм/годишње) | 316 Дубина заваривања ХАЗ након 1000 сати (µм) | 316 Режим оштећења |
|---|---|---|---|---|---|
| Без спојнице (изоловано) | 0 | -180 (само 316) | 0,05 (позадина) | 5 | Ниједан |
| 1:1 | 12 | -20 | 0.35 | 15 | Благо нагризање при заваривању |
| 5:1 | 28 | +10 | 0.85 | 45 | Јаме у ХАЗ-у, више локација |
| 10:1 | 35 | +30 | 1.20 | 85 | Јака рупица, смањење зида на 1,0 мм |
| 20:1 | 38 | +45 | 1.40 | 120 | Близу-перфорације, опсежан напад завара |
| 10:1 са диелектричном изолацијом (најлонска чаура) | 2 | -160 | 0.08 | 8 | Нема значајнијег напада |
Однос површине 20:1 (типичан за један грејач у великом резервоару топле воде за домаћинство) произвео је густину галванске струје од 38 µА/цм² на површини 316. Иако је мала, ова струја је довољна да помери потенцијал 316 са његове изоловане вредности од -180 мВ на +45 мВ – померање од 225 мВ у активно-пасивни прелаз. Угљенични челик је кородирао брзином од 1,4 мм/годишње, што би пробушило зид резервоара од 6 мм за отприлике 4 године. Што је још важније за животни век грејача, 316 заварених ХАЗ-а развиле су удубљења просечне дубине од 120 µм након само 1000 сати, при чему су неке рупице продрле 80% кроз зид од 1,2 мм.
Осетљивост 316 Заварите ХАЗ на галванску поларизацију у топлој води
Показало се да је зона{0}}захваћена топлотом шава најрањивија локација на омотачу 316 за галвански изазвану корозију. Ова осетљивост произилази из три фактора. Прво, ХАЗ садржи области са -осиромашеним хромом (чак 12–13% Цр) због таложења карбида током заваривања, чак и у 316Л са ниским садржајем угљеника. Друго, геометрија врха завара ствара стање налик на пукотину-у коме се појачање завара сусреће са основним металом. Треће, заостала затезна напрезања од заваривања су концентрисана на ХАЗ. Под галванском поларизацијом, ови фактори се комбинују да би произвели локализовани напад при густини струје 5-10 пута већој него на основном металу.
Микроелектродна мерења дистрибуције галванске струје дуж завареног узорка омотача од 316 спојеног на угљенични челик (однос површина 10:1) показала су:
Основни метал (далеко од завара): 28 µА/цм², уједначен
ХАЗ (унутар 2 мм од фузионе линије): 110–180 µА/цм², локализовано
Метал шава: 45 µА/цм², уједначен
Заварени врх (спој): 220 µА/цм², високо концентрисан
Повећана густина струје на ХАЗ-у и на врху завара објашњава зашто се удубљење јављало првенствено на овим локацијама, а не на остатку омотача. Измерени питтинг потенцијал ЗУТ у води из славине од 80 степени био је -50 мВ у односу на СЦЕ, док је мешовити потенцијал под спрегом 10:1 био +30 мВ – покретачка сила од 80 мВ која је обезбедила континуирано активно растварање у ЗУТ.
Дизајнерска решења за галванску изолацију у резервоарима за топлу воду
Три дизајнерска приступа елиминишу или ублажавају галванску корозију између омотача 316 и структура резервоара од угљеничног челика. Најефикаснија је потпуна диелектрична изолација. Наведите да сви прикључци за монтажу грејача – без обзира да ли су навојни, прирубнички или монтирани на конзоле-– садрже диелектричне чауре, заптивке или навлаке који пружају електрични отпор већи од 1 МΩ између омотача 316 и било које компоненте од угљеничног челика. Најлон, полипропилен пуњен стаклом- или ПТФЕ су погодни материјали за чауре. Диелектрични спојеви са навојима обложеним полимером- такође спречавају проток струје кроз систем цевовода.
Када је потпуна изолација непрактична (нпр. код накнадних инсталација где грејач директно улази у полу-спојницу од угљеничног челика), други приступ је да се обрне однос површина. Мала анода од угљеничног челика спојена са великом катодом 316 узрокује брзо трошење аноде, али минималну поларизацију 316. Наменским додавањем заменљиве жртвене аноде од угљеничног челика (нпр. плоча од 50 мм × 100 мм причвршћена за зид резервоара близу грејача), однос површина постаје 316:анода=10:1 или већи. У овој конфигурацији, мешовити потенцијал остаје близу изолованог потенцијала 316 (-150 до -180 мВ), а омотач 316 остаје потпуно пасиван. Жртвена анода се повремено троши и мења.
Трећи приступ се односи на израду нових резервоара. Наведите да све уроњене површине од угљеничног челика – укључујући унутрашњост резервоара и све носаче за монтажу – добију катодни заштитни премаз као што је топло-поцинковање, епоксид или полиуреа. Завар од угљеничног челика без премаза или одрезана ивица од само 1 цм² може изазвати галванску корозију на оближњем омотачу 316. За резервоаре који се не могу у потпуности обложити, инсталирајте систем катодне заштите са напајаном струјом са инертном анодом (титанијум обложен мешаним металним оксидом) и референтном електродом. Систем одржава зид резервоара на -800 до -900 мВ у односу на Цу/ЦуСО₄, што истовремено штити угљенични челик и пребацује потенцијал 316 у безбедно пасивно подручје.
Језик спецификације за грејаче резервоара за топлу воду
Приликом набавке 316 електричних грејних цеви обложених нерђајућим челиком за уградњу у резервоаре топле воде од угљеничног челика – укључујући комерцијалне бојлере, термалне посуде за складиштење и тампон резервоаре – инжењери треба да укључе експлицитне захтеве за галванску изолацију. Склоп грејача треба да садржи диелектричну изолацију између омотача од нерђајућег челика 316 и било које компоненте за монтажу од угљеничног челика (прирубнице, конзоле или навојне везе), обезбеђујући минимални електрични отпор од 1 МΩ мерено на 500 В ДЦ. За инсталације са навојем, наведите диелектрични спој или најлонски прстен. За прирубничке инсталације, наведите ПТФЕ или ЕПДМ заптивке са диелектричним чаурама на свим завртњима. У применама за накнадну уградњу где се не може постићи потпуна изолација, наведите да грејач буде праћен заменљивом анодом (магнезијумом или алуминијумом) величине да заштити омотач 316 и суседни угљенични челик, са масом аноде израчунатом према НАЦЕ СП0387 за запремину резервоара и хемију воде. За производњу новог резервоара, наведите да све површине од угљеничног челика у кругу од 300 мм од продирања у грејач добију заштитни премаз (минимална дебљина сувог филма 250 µм) и да се све обложене површине прегледају за празнике (рупе) помоћу нисконапонског тестера за мокри сунђер. Бавећи се галванском спрегом као примарном променљивом дизајна – а не као накнадном размишљањем о заштити резервоара од корозије – инжењери могу да спрече 316 кварова заваривања омотача који се обично појављују у року од 12–24 месеца у незаштићеним системима.
