Πώς αλλάζει η πυκνότητα γαλβανικού ρεύματος μεταξύ ενός θερμαντήρα τιτανίου και ενός τοιχώματος δεξαμενής από ανθρακούχο χάλυβα όταν το στρώμα οξειδίου του θερμαντήρα είναι κατεστραμμένο;

Για έναν μηχανικό διεργασιών που πρέπει να εγκαταστήσει έναν θερμαντήρα εμβάπτισης τιτανίου σε μια δεξαμενή από ανθρακούχο χάλυβα, η πυκνότητα του γαλβανικού ρεύματος μεταξύ των δύο μετάλλων θα εξαρτάται ζωτικά από την ακεραιότητα του στρώματος παθητικού οξειδίου στο τιτάνιο. Όταν το στρώμα οξειδίου είναι άθικτο, το τιτάνιο έχει ευγενές δυναμικό (περίπου +0.1 έως +0.3 V έναντι SCE) στους περισσότερους αεριζόμενους ηλεκτρολύτες, ενώ ο ανθρακούχος χάλυβας έχει πιο ενεργό δυναμικό (περίπου -0,5 έως -0,7 V έναντι SCE). Το γαλβανικό ρεύμα περνά από τον ανθρακούχο χάλυβα (άνοδος, διάβρωση) στο τιτάνιο (κάθοδος, προστατευμένο). Η πυκνότητα ρεύματος είναι τυπικά 0,1-1,0 μΑ/cm 2 επιφάνειας τιτανίου. Όταν η μεμβράνη οξειδίου καταστρέφεται (από γρατσουνιά, τριβή ή εντοπισμένη χημική επίθεση), το γυμνό τιτάνιο που εκτίθεται έχει ενεργό δυναμικό ίσο ή περισσότερο αρνητικό από τον ανθρακούχο χάλυβα (περίπου -0,6 έως -0,8 V έναντι SCE). Το γαλβανικό ρεύμα αντιστρέφεται: το τιτάνιο γίνεται η άνοδος και διαβρώνεται γρήγορα με τις πυκνότητες ρεύματος να φτάνουν τα 100–1.000 μA/cm² – μια αύξηση 100 έως 1.000 φορές. Αυτή η αντίστροφη γαλβανική σύζευξη μπορεί να μασήσει μέσα από μια θερμάστρα τιτανίου μέσα σε λίγες εβδομάδες.

Γαλβανική αναστροφή και ο μηχανισμός της βλάβης του στρώματος οξειδίου
Η παθητική επίστρωση TiO2 στο τιτάνιο είναι ημιαγωγός τύπου n- και διατηρεί υψηλή πυκνότητα καθοδικού ρεύματος για τη μείωση του οξυγόνου, αλλά εμποδίζει το ανοδικό ρεύμα από το υπόστρωμα τιτανίου. Το τιτάνιο, όταν το φιλμ είναι άθικτο, είναι μια αποτελεσματική κάθοδος που οδηγεί στη διάβρωση του συνδεδεμένου ανθρακούχου χάλυβα. Όταν το φιλμ καταστραφεί, η εκτεθειμένη περιοχή γυμνού τιτανίου (συνήθως < 1% της συνολικής επιφάνειας) γίνεται μια περιοχή μικτού δυναμικού. Η μεγάλη περιβάλλουσα παθητική περιοχή εξακολουθεί να λειτουργεί ως κάθοδος, αλλά τώρα το μικρό γυμνό τμήμα τιτανίου λειτουργεί ως άνοδος. Το παραγόμενο γαλβανικό ρεύμα περιορίζεται στο ελάττωμα και παράγει πυκνότητες ανοδικού ρεύματος 100–1.000 µA/cm2, οι οποίες είναι επαρκείς για να διατηρήσουν την ενεργό διάλυση και να αποτρέψουν την επαναπαθητοποίηση.

Η αναλογία κατεστραμμένης περιοχής (A_damaged / A_passive) είναι η βασική παράμετρος. Για το παράδειγμα γρατσουνιάς 1 cm2 σε θερμάστρα 1000 cm2 (0,1% της επιφάνειας είναι κατεστραμμένο), η πυκνότητα γαλβανικού ρεύματος στην γρατσουνιά είναι (i_galvanic * A_passive) / A_damaged. Εάν η πυκνότητα γαλβανικού ρεύματος μεταξύ του παθητικού τιτανίου και του ανθρακούχου χάλυβα είναι 0,5 µA/cm², τότε η πυκνότητα ρεύματος στην γρατσουνιά είναι (0,5 × 1000) / 1=500 μA/cm²-αρκετή για να διαλύσει το τιτάνιο στα 0,5 mm/μήνα περίπου.

Μέτρηση της πυκνότητας γαλβανικού ρεύματος σε ανέπαφο έναντι κατεστραμμένου οξειδίου
Κατάσταση Κατάσταση Στρώσης Οξειδίου Δυναμικό Τιτανίου (V έναντι SCE) Πυκνότητα γαλβανικού ρεύματος (μA/cm2 Ti) Κατεύθυνση Ρυθμός διάβρωσης τιτανίου (mm/έτος)
Έγχυση υδάτινου αέρα, προσαρτημένο σε ανθρακούχο χάλυβα ανέπαφο 0.2 0.3 Χάλυβας > Ti (διάβρωση) < 0,01 (προστατεύεται με Ti)
Αεριζόμενο θαλασσινό νερό, 1 % επιφάνεια γρατσουνισμένη Κατεστραμμένο (1 % επιφάνεια) -0,4 (μεικτό) 5 (συνολικά) Ti (γρατζουνιά) → Χάλυβας (τοπικό) 0,5 (στο μηδέν)
Αεριζόμενο θαλασσινό νερό 5% επιφάνεια γρατσουνισμένο Κατεστραμμένο (5% επιφάνεια) -0,5 (μεικτό) 10 (συνολικά) Ti (γρατσουνιές) → Χάλυβας 1,0 (σε γρατσουνιές)
Απαερωμένο θαλασσινό νερό, οποιαδήποτε κατάσταση επιφάνειας Παθητικό φιλμ ασταθές -0,6 έως -0.8 50–200 Ti → Χάλυβας (το Ti διαβρώνεται) 2–10 (ομοιόμορφο)
Intact film, acid chloride (pH 3)Intact, but less stable 0.0 to +0.1 1-5 Steel ->Ti (διάβρωση χάλυβα) < 0,05
Acid chloride (pH 3), scratched Damaged -0.4 to -0.6 50-500 Ti (scratch) ->Steel 2-20 (τοπικό)
Σενάριο-Βασισμένη προσέγγιση για έλεγχο γαλβανικής ζεύξης με ανθρακούχο χάλυβα
Ηλεκτρολύτης κατάστασης οξειδίου του θερμαντήρα υλικού δεξαμενής Προτείνεται: Μετριασμός κινδύνου γαλβανικού
Ανθρακούχο χάλυβα Χωρίς επίστρωση Αερισμένο θαλασσινό νερό Χαμηλό (σκουριές από χάλυβα, με προστασία Ti) Αποδεκτό. Απαιτείται αντιδιαβρωτική προστασία για χαλύβδινη δεξαμενή.
Ανθρακούχο χάλυβα Γρατσουνισμένο (μηχανική βλάβη) Αεριζόμενο θαλασσινό νερό Υψηλό (Ti διαβρώνεται στις γρατσουνιές) Ηλεκτρική απομόνωση Ti από τον χάλυβα. Χρησιμοποιήστε ροδέλες από καουτσούκ ή νάιλον.
Ανθρακούχο χάλυβα Οποιοδήποτε Απαερωμένο (χωρίς οξυγόνο) Πολύ υψηλό (Ti ενεργό ηλεκτρική μόνωση. Το O2 δεν είναι απαραίτητο για ομοιόμορφη διάβρωση του Ti.
Άθικτο Ανθρακούχο χάλυβα Αραιό ​​οξύ (pH 4-6) Μέτριο (ο χάλυβας θα σκουριάσει γρήγορα) Ηλεκτρική μόνωση. Ο χάλυβας θα σπάσει γρήγορα. Χρησιμοποιήστε πλαστικό δοχείο.
Ανθρακούχο χάλυβα Κατεστραμμένο (χημική επίθεση) Αραιό ​​οξύ Πολύ υψηλό (Ti είναι επιρρεπές σε διάβρωση σε σημεία βλάβης) Απαιτείται άμεση απομόνωση. αντικαταστήστε τη θερμάστρα κατεστραμμένη
Ανοξείδωτος χάλυβας (καθοδικός σε Ti σε παθητική κατάσταση) Οποιοδήποτε Χαμηλό έως μέτριο (Ti κάπως ανοδικό) Γενικά ΟΚ. Λιγότερο σοβαρή αντίστροφη σύζευξη.
Μηχανικοί Μετριασμούς στη Γαλβανική Αναστροφή
Εάν ο θερμαντήρας τιτανίου έχει ζημιά στην επιφάνεια και πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σε δεξαμενή από ανθρακούχο χάλυβα, πρέπει να είναι ηλεκτρικά μονωμένος. Στις φλάντζες στερέωσης το γαλβανικό κύκλωμα σπάει από νάιλον ή PTFE δακτυλίους, ελαστικά παρεμβύσματα και μη αγώγιμους συνδέσμους σωλήνων. Το γαλβανικό ρεύμα πρέπει να είναι μικρότερο από 1 μΑ, πράγμα που σημαίνει ότι η αντίσταση απομόνωσης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 1 MΩ. Ένας δεύτερος μετριασμός είναι η προσάρτηση μιας θυσιαστικής ανόδου (ψευδαργύρου ή αλουμινίου) στη θερμάστρα τιτανίου, η οποία διατηρεί το τιτάνιο σε καθοδικό δυναμικό ακόμη και αν το οξείδιο έχει υποστεί ζημιά. Το τιτάνιο δεν διαλύεται. Η θυσιαστική άνοδος διαλύεται. Ένας τρίτος μετριασμός είναι η περιοδική ανοδική παθητικοποίηση. Εφαρμόζοντας ένα σύντομο ανοδικό δυναμικό (+0.5 V έναντι SCE για 10 λεπτά μία φορά την εβδομάδα) το κατεστραμμένο στρώμα οξειδίου επισκευάζεται με την ανάπτυξη νέου TiO2 στις γρατσουνισμένες θέσεις, αποκαθιστώντας το ευγενές δυναμικό και αναστρέφοντας το γαλβανικό ζεύγος πίσω στη λειτουργία ανόδου από χάλυβα-.

Συμπέρασμα: Η βλάβη από οξείδιο αντιστρέφει το γαλβανικό ρεύμα και αυξάνει τη διάβρωση Ti 100-1000 φορές.
Η γαλβανική σύνδεση του θερμαντήρα τιτανίου με τον ανθρακούχο χάλυβα, ενώ το φιλμ οξειδίου είναι άθικτο, έχει ως αποτέλεσμα πυκνότητες ρεύματος από 0,1 έως 1,0 µA/cm², με τον χάλυβα να διαβρώνεται ως άνοδος. Εάν το οξείδιο καταστραφεί από γρατσουνιές, γδαρσίματα ή χημική επίθεση, το γαλβανικό ρεύμα αντιστρέφεται και συγκεντρώνεται στην κατεστραμμένη περιοχή με πυκνότητες ρεύματος από 100 έως 1.000 µA/cm². Το ανάστροφο γαλβανικό ζεύγος διαβρώνει τοπικά το τιτάνιο με ταχύτητα 0,5-2 mm/έτος στη θέση της ζημιάς, προκαλώντας διάτρηση ενός θερμαντήρα τοίχου 1,5 mm μέσα σε εβδομάδες έως μήνες . Σε κάθε εφαρμογή όπου είναι πιθανή η ζημιά στην επιφάνεια του θερμαντήρα, ο ηλεκτρικός διαχωρισμός τιτανίου και ανθρακούχου χάλυβα είναι υποχρεωτικός. Κατά την εγκατάσταση ενός θερμαντήρα τιτανίου σε δεξαμενή από ανθρακούχο χάλυβα, απαιτείται μη αγώγιμο υλικό στερέωσης και περιοδικοί έλεγχοι αντίστασης μόνωσης για την αποφυγή πρόωρης βλάβης του θερμαντήρα λόγω γαλβανικής αναστροφής.