Γιατί η γαλβανική σύζευξη μεταξύ θηκών από ανοξείδωτο χάλυβα 316 και τοιχωμάτων δεξαμενής από ανθρακούχο χάλυβα σε μη συνδεδεμένα συστήματα αποθήκευσης ζεστού νερού επιταχύνει τη διάβρωση συγκόλλησης κατά συντελεστή 20 στους 60–80 μοίρες;

Οι ηλεκτρικοί σωλήνες θέρμανσης που είναι εγκατεστημένοι σε δεξαμενές αποθήκευσης ζεστού νερού είναι συχνά τοποθετημένοι μέσω φλάντζες από ανθρακούχο χάλυβα ή στηρίζονται σε βραχίονες από ανθρακούχο χάλυβα που είναι συγκολλημένοι στο τοίχωμα της δεξαμενής. Όταν το περίβλημα από ανοξείδωτο χάλυβα 316 έρχεται σε επαφή με τη δομή από ανθρακούχο χάλυβα μέσω μιας αγώγιμης διαδρομής – όπως ένα μεταλλικό βραχίονα στήριξης, μια σύνδεση με σπείρωμα ή ακόμα και μέσω αγώγιμων γεφυρών κλίμακας – δημιουργείται ένα γαλβανικό στοιχείο διάβρωσης. Ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 λειτουργεί ως κάθοδος (ευγενής) και ο ανθρακούχο χάλυβας ως άνοδος (ενεργός). Σε μη συνδεδεμένα συστήματα που δεν διαθέτουν διηλεκτρική μόνωση ή καθοδική προστασία, το εξάρτημα από ανθρακούχο χάλυβα διαβρώνεται με επιταχυνόμενους ρυθμούς. Ωστόσο, τα δεδομένα αστοχίας πεδίου από εμπορικούς θερμοσίφωνες αποκαλύπτουν ένα λιγότερο διαισθητικό εύρημα: το γαλβανικό ρεύμα καταστρέφει επίσης το περίβλημα από ανοξείδωτο χάλυβα 316, ειδικά στις ζώνες που επηρεάζονται από τη θερμότητα συγκόλλησης-. Το καθοδικό ρεύμα που ρέει από την επιφάνεια 316 στον ανθρακούχο χάλυβα μέσω του ηλεκτρολύτη μετατοπίζει το δυναμικό 316 σε μια πιο ενεργή περιοχή όπου η παθητική μεμβράνη γίνεται ασταθής, οδηγώντας σε επιταχυνόμενη διάβρωση οπών και ρωγμών στα δάχτυλα συγκόλλησης και ευαισθητοποιημένα HAZ. Αυτός ο αντιδιαισθητικός μηχανισμός – η καθοδική πόλωση που προκαλεί διάβρωση του ονομαστικά ευγενούς υλικού – συμβαίνει επειδή το γαλβανικό ζεύγος οδηγεί την επιφάνεια 316 στην ενεργητική-περιοχή παθητικής μετάβασης. Αυτό το άρθρο ποσοτικοποιεί τις πυκνότητες γαλβανικού ρεύματος και τους ρυθμούς διάβρωσης για ζεύγη ανθρακούχου χάλυβα 316 σε ζεστό νερό και παρέχει προδιαγραφές σχεδιασμού για την αποφυγή σπατάλης ανθρακούχου χάλυβα και προσβολής συγκόλλησης 316.

Φαινόμενο αντιστροφής γαλβανικού ζεύγους σε ζεστό, χαμηλής περιεκτικότητας σε χλωριούχο νερό-

Η συμβατική σειρά γαλβανικών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος-θαλασσινού νερού τοποθετεί τον ανοξείδωτο χάλυβα 316 ως ευγενή (καθοδικό) σε ανθρακούχο χάλυβα, με διαφορά δυναμικού περίπου 300–400 mV. Ο ανθρακούχος χάλυβας διαβρώνεται θυσιαστικά, προστατεύοντας τον ανοξείδωτο χάλυβα. Αυτό ισχύει σε κρύα, αγώγιμα νερά. Ωστόσο, σε ζεστό νερό (60–80 μοίρες) με μέτρια έως χαμηλή αγωγιμότητα (500–3000 µS/cm), η γαλβανική συμπεριφορά αλλάζει. Το παθητικό φιλμ από ανοξείδωτο χάλυβα 316, σταθερό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, γίνεται λιγότερο προστατευτικό σε υψηλές θερμοκρασίες, ιδιαίτερα παρουσία ιχνών χλωριδίων (20–100 ppm τυπικό για το δημοτικό νερό). Το δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος 316 σε νερό βρύσης 80 μοιρών μετατοπίζεται καθοδικά κατά 150–250 mV σε σύγκριση με την τιμή θερμοκρασίας δωματίου, φέρνοντάς το πιο κοντά στο δυναμικό διάβρωσης του ανθρακούχου χάλυβα.

Όταν συνδέεται γαλβανικά, το μικτό δυναμικό του ζεύγους ανθρακούχου χάλυβα 316- βρίσκεται σε μια τιμή όπου το 316 δεν είναι πλήρως παθητικό αλλά βρίσκεται στην ενεργητική-περιοχή παθητικής μετάβασης. Σε αυτό το δυνητικό εύρος, η επιφάνεια 316 υφίσταται περιοδική διάσπαση και επαναπαθητικοποίηση του φιλμ, οδηγώντας σε τοπική διάβρωση στις πιο αδύναμες θέσεις - συνήθως στη συγκόλληση HAZ, όπου η εξάντληση του χρωμίου και η υπολειπόμενη τάση συμπύκνωσης προσβάλλονται. Ποτενσιοδυναμικές σαρώσεις 316 σε νερό βρύσης 80 μοιρών (80 ppm Cl-, 200 μS/cm) δείχνουν μια παθητική περιοχή από -200 έως +150 mV έναντι του SCE, μια ενεργή κορυφή στα -100 mV περίπου και μια διαπαθητική διάσπαση πάνω από +150 mV. Το μικτό δυναμικό ενός ζεύγους χάλυβα 316 ανθρακούχων (αναλογία εμβαδού 1:10, που σημαίνει ότι η άνοδος ανθρακούχου χάλυβα είναι δέκα φορές μεγαλύτερη από την κάθοδο 316) σταθεροποιείται στα -50 έως +50 mV – ακριβώς στην ενεργητική-παθητική μετάβαση όπου το παθητικό φιλμ είναι ασταθές.

Ποσοτικοποιημένα γαλβανικά ρεύματα και ρυθμοί διάβρωσης σε προσομοίωση αποθήκευσης ζεστού νερού

Πειράματα ελεγχόμενης γαλβανικής σύζευξης διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας 316 δείγματα περιβλήματος από ανοξείδωτο χάλυβα (12 mm OD, τοίχωμα 1,2 mm, συμπεριλαμβανομένων αυτογενών συγκολλήσεων TIG) και πλάκες από ανθρακούχο χάλυβα (Α36, που αντιπροσωπεύει υλικό τοιχώματος δεξαμενής). Ο ηλεκτρολύτης ήταν συνθετικό νερό βρύσης (80 ppm Cl-, 120 ppm SO42-, 150 ppm Ca2+, ρΗ 7,2, αγωγιμότητα 350 μS/cm) στους 75 βαθμούς. Η αναλογία επιφάνειας ανθρακούχου χάλυβα προς 316 κυμαινόταν από 1:1 έως 20:1, αντιπροσωπεύοντας διαφορετικές διαμορφώσεις θερμαντήρα-προς-επιφάνεια επιφάνειας δεξαμενής. Τα αμπερόμετρα μηδενικής αντίστασης μέτρησαν το γαλβανικό ρεύμα και τα δείγματα εξετάστηκαν μετά από 1000 ώρες για ζημιές από διάβρωση.

Η αναλογία επιφάνειας 20:1 (συνήθης ενός μόνο θερμαντήρα σε μια μεγάλη δεξαμενή ζεστού νερού οικιακής χρήσης) παρήγαγε μια πυκνότητα γαλβανικού ρεύματος 38 µA/cm² στην επιφάνεια 316. Αν και είναι μικρό, αυτό το ρεύμα είναι αρκετό για να μετατοπίσει το δυναμικό 316 από την απομονωμένη του τιμή των -180 mV σε +45 mV – μια μετατόπιση 225 mV στην ενεργητική-παθητική μετάβαση. Ο ανθρακούχο χάλυβας διαβρώθηκε με ταχύτητα 1,4 mm/έτος, κάτι που θα διατρυπούσε ένα τοίχωμα δεξαμενής 6 mm σε περίπου 4 χρόνια. Το πιο σημαντικό για τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα, το 316 συγκόλλησης HAZ ανέπτυξε κοιλώματα με μέσο βάθος 120 μm μετά από μόλις 1000 ώρες, με μερικά κοιλώματα να διεισδύουν κατά 80% μέσα από το τοίχωμα 1,2 mm.

Ευαισθησία 316 συγκόλλησης HAZ στη γαλβανική πόλωση σε ζεστό νερό

Η ζώνη που επηρεάστηκε από τη θερμότητα συγκόλλησης-αποδείχθηκε ότι είναι η πιο ευάλωτη θέση στο περίβλημα 316 για γαλβανικά επαγόμενη διάβρωση. Αυτή η ευαισθησία προκύπτει από τρεις παράγοντες. Πρώτον, το HAZ περιέχει περιοχές με εξάντληση του χρωμίου (τόσο χαμηλές όσο 12–13% Cr) λόγω της κατακρήμνισης καρβιδίου κατά τη συγκόλληση, ακόμη και σε 316 λίτρα με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα. Δεύτερον, η γεωμετρία των δακτύλων συγκόλλησης δημιουργεί μια κατάσταση σχισμής-όπου ο οπλισμός συγκόλλησης συναντά το βασικό μέταλλο. Τρίτον, οι υπολειπόμενες εφελκυστικές τάσεις από τη συγκόλληση συγκεντρώνονται στο HAZ. Υπό γαλβανική πόλωση, αυτοί οι παράγοντες συνδυάζονται για να παράγουν τοπική επίθεση σε πυκνότητες ρεύματος 5-10 φορές υψηλότερες από ό,τι στο βασικό μέταλλο.

Οι μετρήσεις μικροηλεκτροδίων της κατανομής του γαλβανικού ρεύματος κατά μήκος ενός συγκολλημένου δείγματος περιβλήματος 316 συζευγμένο με ανθρακούχο χάλυβα (αναλογία περιοχής 10:1) έδειξαν:

Βασικό μέταλλο (μακριά από συγκόλληση): 28 µA/cm², ομοιόμορφο

HAZ (εντός 2 mm γραμμής σύντηξης): 110–180 μA/cm², εντοπισμένο

Μέταλλο συγκόλλησης: 45 µA/cm², ομοιόμορφο

Δάκτυλο συγκόλλησης (διασταύρωση): 220 µA/cm², υψηλής συγκέντρωσης

Η αυξημένη πυκνότητα ρεύματος στο HAZ και στο δάκτυλο της συγκόλλησης εξηγεί γιατί η διάτρηση εμφανίστηκε κατά προτίμηση σε αυτές τις θέσεις παρά στο υπόλοιπο της θήκης. Το μετρημένο δυναμικό διάτρησης του HAZ σε νερό βρύσης 80 μοιρών ήταν -50 mV έναντι SCE, ενώ το μικτό δυναμικό κάτω από τη σύζευξη 10:1 ήταν +30 mV – μια κινητήρια δύναμη 80 mV που εξασφάλιζε συνεχή ενεργή διάλυση στο HAZ.

Λύσεις σχεδιασμού για γαλβανική απομόνωση σε δεξαμενές αποθήκευσης ζεστού νερού

Τρεις προσεγγίσεις σχεδιασμού εξαλείφουν ή μετριάζουν τη γαλβανική διάβρωση μεταξύ 316 περιβλημάτων και δομών δεξαμενών από ανθρακούχο χάλυβα. Η πιο αποτελεσματική είναι η πλήρης διηλεκτρική απομόνωση. Προσδιορίστε ότι όλες οι συνδέσεις στερέωσης θερμαντήρα – είτε με σπείρωμα, είτε με φλάντζα, είτε με βάση-- ενσωματώνουν διηλεκτρικούς δακτυλίους, παρεμβύσματα ή χιτώνια που παρέχουν ηλεκτρική αντίσταση άνω του 1 MΩ μεταξύ της θήκης 316 και οποιουδήποτε στοιχείου από ανθρακούχο χάλυβα. Το νάιλον, το γυαλί-πολυπροπυλένιο ή το PTFE είναι κατάλληλα υλικά για δακτυλίους. Οι διηλεκτρικές ενώσεις με νήματα-με επένδυση από πολυμερές εμποδίζουν επίσης τη ροή ρεύματος μέσω του συστήματος σωληνώσεων.

Όταν η πλήρης απομόνωση δεν είναι πρακτική (π.χ. σε εγκαταστάσεις εκ των υστέρων όπου ο θερμαντήρας περνάει απευθείας σε μισή σύζευξη-από ανθρακούχο χάλυβα), η δεύτερη προσέγγιση είναι η αντιστροφή της αναλογίας επιφάνειας. Μια μικρή άνοδος από ανθρακούχο χάλυβα συνδεδεμένη με μια μεγάλη κάθοδο 316 προκαλεί ταχεία σπατάλη ανόδου αλλά ελάχιστη πόλωση 316. Προσθέτοντας σκόπιμα μια ανθρακοχάλυβα θυσιαστική άνοδο που μπορεί να αντικατασταθεί (π.χ. μια πλάκα 50 mm × 100 mm βιδωμένη στο τοίχωμα της δεξαμενής κοντά στον θερμαντήρα), η αναλογία επιφάνειας γίνεται 316:άνοδος=10:1 ή μεγαλύτερη. Σε αυτή τη διαμόρφωση, το μικτό δυναμικό παραμένει κοντά στο απομονωμένο δυναμικό 316 (-150 έως -180 mV) και το περίβλημα 316 παραμένει πλήρως παθητικό. Η θυσιαστική άνοδος καταναλώνεται και αντικαθίσταται περιοδικά.

Η τρίτη προσέγγιση ισχύει για την κατασκευή νέας δεξαμενής. Προσδιορίστε ότι όλες οι επιφάνειες από βυθισμένο ανθρακούχο χάλυβα – συμπεριλαμβανομένου του εσωτερικού της δεξαμενής και τυχόν βραχιόνων στήριξης – φέρουν επίστρωση καθοδικής προστασίας, όπως γαλβανισμό εν θερμώ-, εποξειδικό ή πολυουρία. Μια μη επικαλυμμένη συγκόλληση ανθρακούχου χάλυβα ή μια κομμένη άκρη τόσο μικρή όσο 1 cm² μπορεί να προκαλέσει γαλβανική διάβρωση σε ένα κοντινό περίβλημα 316. Για τις δεξαμενές που δεν μπορούν να επικαλυφθούν πλήρως, εγκαταστήστε ένα σύστημα καθοδικής προστασίας τροφοδοτούμενου ρεύματος με αδρανή άνοδο (τιτάνιο με επικάλυψη μικτού οξειδίου μετάλλου) και ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς. Το σύστημα διατηρεί το τοίχωμα της δεξαμενής στα -800 έως -900 mV έναντι Cu/CuSO4, το οποίο προστατεύει ταυτόχρονα τον ανθρακούχο χάλυβα και μετατοπίζει το δυναμικό 316 σε μια ασφαλή παθητική περιοχή.

Γλώσσα προδιαγραφών για θερμαντήρες δεξαμενής αποθήκευσης ζεστού νερού

Όταν προμηθεύονται ηλεκτρικούς σωλήνες θέρμανσης με επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα 316 για εγκατάσταση σε δεξαμενές αποθήκευσης ζεστού νερού από ανθρακούχο χάλυβα – συμπεριλαμβανομένων εμπορικών θερμοσιφώνων, θερμικών δοχείων αποθήκευσης και δεξαμενών αποθήκευσης – οι μηχανικοί πρέπει να περιλαμβάνουν ρητές απαιτήσεις γαλβανικής απομόνωσης. Το συγκρότημα θερμαντήρα θα ενσωματώνει διηλεκτρική μόνωση μεταξύ της θήκης από ανοξείδωτο χάλυβα 316 και τυχόν εξαρτημάτων στερέωσης από ανθρακούχο χάλυβα (φλάντζες, βραχίονες ή συνδέσεις με σπείρωμα), παρέχοντας ελάχιστη ηλεκτρική αντίσταση 1 MΩ μετρούμενη στα 500 V DC. Για εγκαταστάσεις με σπείρωμα, καθορίστε μια διηλεκτρική ένωση ή ένα νάιλον δακτύλιο. Για εγκαταστάσεις με φλάντζα, καθορίστε παρεμβύσματα PTFE ή EPDM με διηλεκτρικά χιτώνια σε όλα τα μπουλόνια. Σε εφαρμογές εκ των υστέρων όπου δεν μπορεί να επιτευχθεί πλήρης απομόνωση, προσδιορίστε ότι ο θερμαντήρας συνοδεύεται από μια αντικαταστάσιμη άνοδο (μαγνήσιο ή αλουμίνιο) μεγέθους για την προστασία της θήκης 316 και του παρακείμενου ανθρακούχου χάλυβα, με τη μάζα της ανόδου να υπολογίζεται ανά NACE SP0387 για τον όγκο της δεξαμενής και τη χημεία του νερού. Για την κατασκευή νέας δεξαμενής, προσδιορίστε ότι όλες οι επιφάνειες από ανθρακούχο χάλυβα εντός 300 mm από οποιαδήποτε διείσδυση του θερμαντήρα λαμβάνουν προστατευτική επίστρωση (τουλάχιστον 250 μm πάχος ξηρής μεμβράνης) και ότι όλες οι επικαλυμμένες επιφάνειες θα επιθεωρούνται για διακοπές (οπές καρφίτσας) χρησιμοποιώντας έναν ελεγκτή υγρού σφουγγαριού χαμηλής{13}τάσης. Αντιμετωπίζοντας τη γαλβανική σύζευξη ως κύρια μεταβλητή σχεδιασμού - όχι ως εκ των υστέρων σκέψη για την προστασία από τη διάβρωση δεξαμενής - οι μηχανικοί μπορούν να αποτρέψουν αστοχίες συγκόλλησης θηκών 316 που εμφανίζονται συνήθως εντός 12-24 μηνών σε μη προστατευμένα συστήματα.