Kuinka galvaanisen virran tiheys titaanilämmittimen ja hiiliterässäiliön seinämän välillä muuttuu, kun lämmittimen oksidikerros on vaurioitunut?

Prosessinsinöörille, jonka on asennettava titaaninen uppolämmitin hiiliterässäiliöön, kahden metallin välinen galvaanisen virran tiheys riippuu olennaisesti titaanin päällä olevan passiivisen oksidikerroksen eheydestä. Kun oksidikerros on ehjä, titaanilla on jalo potentiaali (noin +0.1 - +0.3 V vs. SCE) useimmissa ilmastetuissa elektrolyyteissä, kun taas hiiliteräksellä on aktiivisempi potentiaali (noin -0,5 - -0,7 V vs. SCE). Galvaaninen virta kulkee hiiliteräksestä (anodi, syöpyvä) titaaniin (katodi, suojattu). Virran tiheys on tyypillisesti 0,1-1,0 µA/cm2 titaanin pinta-ala. Kun oksidikalvo tuhoutuu (naarmuuntumisen, hankauksen tai paikallisen kemiallisen hyökkäyksen vuoksi), paljaalla titaanilla, joka on alttiina, on aktiivinen potentiaali, joka on yhtä suuri tai negatiivinen kuin hiiliteräksellä (noin -0,6 - -0,8 V vs. SCE). Galvaaninen virta on käänteinen: titaanista tulee anodi ja se syöpyy nopeasti virrantiheyksien ollessa 100–1000 µA/cm² – 100–1000-kertainen nousu. Tämä käänteinen galvaaninen kytkin voi pureskella titaanilämmittimen läpi muutamassa viikossa.

Galvaaninen kääntö ja oksidikerroksen vaurioitumismekanismi
Titaanin päällä oleva passiivinen TiO₂-pinnoite on n--tyyppinen puolijohde ja se ylläpitää suurta katodista virrantiheyttä hapen vähentämiseksi, mutta estää anodisen virran titaanisubstraatista. Kun kalvo on ehjä, titaani on tehokas katodikorroosiota sidottua hiiliterästä. Kun kalvo tuhoutuu, paljas titaanialue (yleensä < 1 % kokonaispinnasta) muuttuu sekapotentiaalialueeksi. Ympäröivä suuri passiivinen alue toimii edelleen katodina, mutta nyt pieni paljas titaaniosa toimii anodina. Tuotettu galvaaninen virta rajoittuu vikaan, ja se tuottaa 100–1000 µA/cm2 anodisen virrantiheyden, joka riittää ylläpitämään aktiivista liukenemista ja estämään uudelleenpassivoitumista.

Vaurioituneen alueen suhde (A_vaurioitunut / A_passiivinen) on avainparametri. Esimerkiksi 1 cm2 naarmu 1000 cm2 lämmittimessä (0,1 % pinta-alasta on vaurioitunut), galvaaninen virrantiheys naarmussa on (i_galvanic * A_passive) / A_vaurioitunut. Jos galvaaninen virrantiheys passiivisen titaanin ja hiiliteräksen välillä on 0,5 µA/cm², virrantiheys naarmussa on (0,5 × 1000) / 1=500 µA/cm²-riittävä liuottamaan titaania noin 0,5 mm/kk.

Galvaanisen virran tiheyden mittaaminen ehjällä vs. vaurioituneella oksidilla
Kunto Oksidikerroksen tila Titaanipotentiaali (V vs. SCE) Galvaanisen virran tiheys (µA/cm2 Ti) Suunta Titaanin korroosionopeus (mm/vuosi)
Vesiilman ruiskutus, kiinnitetty hiiliteräkseen Ehjä 0.2 0.3 Teräs > Ti (korroosio) < 0,01 (Ti-suojattu)
Ilmastettu merivesi, 1 % pinta naarmuuntunut Vaurioitunut (1 % pinta-ala) -0,4 (seka) 5 (kokonais)Ti (naarmu) → Teräs (paikallinen) 0,5 (naarmussa)
Ilmastettu merivesi 5 % pinta naarmuuntunut Vaurioitunut (5 % pinta-ala) -0,5 (seka) 10 (kokonaisuudessaan) Ti (naarmut) → Teräs 1,0 (naarmuissa)
Merivesi, josta on poistettu ilma, mikä tahansa pintatila Passiivinen kalvo epästabiili -0,6 - -0.8 50-200 Ti → Teräs (Ti syövyttää) 2-10 (tasainen)
Intact film, acid chloride (pH 3)Intact, but less stable 0.0 to +0.1 1-5 Steel ->Ti (teräksen korroosio) < 0,05
Acid chloride (pH 3), scratched Damaged -0.4 to -0.6 50-500 Ti (scratch) ->Teräs 2-20 (lokalisoitu)
Skenaario{0}}hiiliteräksisen galvaanisen kytkimen ohjaukseen perustuva lähestymistapa
Säiliön materiaali Lämmitin Oksiditilan elektrolyytti Suositeltava: Galvaaninen riskinhallinta
Hiiliteräs Päällystämätön hiilihapotettu merivesiMatala (teräksen ruoste, Ti-suojattu) Hyväksyttävä. Terässäiliölle tarvitaan korroosiosuojaus.
Hiiliteräs Naarmuuntunut (mekaaninen vaurio) Ilmastettu merivesi Korkea (Ti syövyttää naarmuissa) Ti:n sähköinen eristys teräksestä. Käytä kumi- tai nailonaluslevyjä.
Hiiliteräs Mikä tahansa Ilmastettu (happiton)Erittäin korkea (Ti aktiivinenSähköeristys. O2 ei ole välttämätön, jotta Ti syöpyy tasaisesti.
Ehjä Hiiliteräs Laimennettu happo (pH 4-6) Kohtalainen (teräs ruostuu nopeasti) Sähköeristys. Teräs hajoaa nopeasti. Käytä muovisäiliötä.
Hiiliteräs Vaurioitunut (kemiallinen hyökkäys) Laimennettu happo Erittäin korkea (Ti on altis korroosiolle vikakohdissa) Eristys tarvitaan välittömästi. vaihda vaurioitunut lämmitin
Ruostumaton teräs (katodinen Ti passiivisessa tilassa) Mikä tahansa Matala tai kohtalainen (Ti jonkin verran anodinen) Yleensä OK. Vähemmän vakava käänteinen kytkentä.
Tekniset lievennykset galvaaniseen käännökseen
Jos titaanilämmittimessä on pintavaurioita ja sitä käytetään hiiliterässäiliössä, se on eristettävä sähköisesti. Asennuslaipoissa galvaaninen piiri katkeaa nailon- tai PTFE-holkit, kumitiivisteet ja ei--johtavat putkiliitokset. Galvaanisen virran on oltava alle 1 µA, mikä tarkoittaa, että eristysvastuksen on oltava yli 1 MΩ. Toinen lievennys on kiinnittää uhrautuva anodi (sinkki tai alumiini) titaanilämmittimeen, joka säilyttää titaanin katodisessa potentiaalissa, vaikka oksidi olisi vaurioitunut. Titaani ei liukene. Uhrianodi liukenee. Kolmas lievennys on säännöllinen anodinen passivointi. Käyttämällä lyhyttä anodista potentiaalia (+0.5 V vs. SCE 10 minuuttia kerran viikossa) vaurioitunut oksidikerros korjataan kasvattamalla uutta TiO₂ naarmuuntuneisiin kohtiin, palauttaen jalopotentiaalin ja kääntämällä galvaanisen parin takaisin teräksen -anoditilaan.

Johtopäätös: Oksidivaurio kääntää galvaanisen virran ja lisää Ti-korroosiota 100-1000 kertaa.
Titaanilämmittimen galvaaninen liitos hiiliteräkseen, kun oksidikalvo on ehjä, johtaa 0,1-1,0 µA/cm²:n virrantiheyksiin, jolloin teräs syöpyy anodina. Jos oksidi vaurioituu naarmuuntumisen, hankauksen tai kemiallisen vaikutuksen vuoksi, galvaaninen virta kääntyy ja keskittyy vaurioituneelle alueelle virrantiheydellä 100-1000 µA/cm². Käänteinen galvaaninen pari syövyttää titaania paikallisesti 0,5-2 mm/v vauriokohdassa aiheuttaen 1,5 mm:n seinälämmittimen rei'ityksen viikoissa tai kuukausissa. Kaikissa sovelluksissa, joissa lämmittimen pinnan vaurioituminen on todennäköistä, titaanin ja hiiliteräksen sähköinen erottaminen on pakollista. Asennettaessa titaanista valmistettua lämmitintä hiiliterässäiliöön, sähköä johtamattomat asennustarvikkeet ja säännölliset eristysvastustarkastukset vaaditaan, jotta vältetään galvaanisesta käänteestä johtuva ennenaikainen lämmittimen vika.