Wie wirkt sich die elektrische Erdungsmethode (ungeerdet, ein -Ende geerdet oder zentraler -Anschluss geerdet) eines mit Titan ummantelten Heizgeräts auf das Risiko einer Streustromkorrosion in einem leitfähigen Elektrolyten (z. B. 5 % NaCl) aus?

Der grundlegende Kompromiss beim Erdungsdesign für leitfähige Elektrolyte
Mit Titan ummantelte Heizgeräte in leitfähigen Elektrolyten (5 %ige NaCl-Sole, Meerwasser oder verdünnte Säuren) können einer Streustromkorrosion ausgesetzt sein, wenn elektrische Erde unerwünschte Stromkanäle erzeugt. Wenn die Hülle ein anderes elektrisches Potenzial hat als der Tank oder die Lösung, fließen Streuströme von der Heizungshülle durch den Elektrolyten zur Erde. Abhängig vom Erdungsschema fungiert die Titanhülle entweder als Anode (korrodiert) oder als Kathode (geschützt). Es gibt drei typische Erdungskonfigurationen: ungeerdet (erdfrei), ein-Ende geerdet (Mantel an der Anschlussdose mit der Erde verbunden) und Mittelabgriff geerdet (der Mittelpunkt des Innenwiderstandsdrahtes ist geerdet). Jede der Methoden führt zu einer unterschiedlichen Potenzialverteilung über die Mantellänge und diese beeinflusst den Ort und die Schwere der Streustromkorrosion. Die elektrochemische Antriebsleistung wird durch die Wandstärke nicht beeinträchtigt, obwohl die Zeit bis zur Perforation nach Korrosionsbeginn beeinflusst wird.

Auswirkung auf die mechanische Integrität: Anodische Zonen, Streustrompfade
In einer ungeerdeten Heizung (Hülle elektrisch von Erde getrennt) gibt es keinen geschlossenen Stromkreis für Streuströme und die Titanhülle nimmt das Leerlaufpotential des Elektrolyten an (ca. −0,2 V gegenüber Ag/AgCl in 5 % NaCl). Es gibt keine Streustromkorrosion, da der Strom nicht fließen kann. Allerdings kann sich in brennbaren Atmosphären eine statische Aufladung aufbauen, die zu einer Funkengefahr führen kann.

Bei einem einseitig geerdeten Heizgerät (geerdet am Ende des Anschlusskastens) liegt am geerdeten Ende 0 V an und das eingetauchte Ende schwebt auf dem Elektrolytpotential. Entlang der Länge der Hülle kann ein Gefälle vorhanden sein. Am eingetauchten Ende fließt Strom vom Elektrolyten zum Mantel (kathodischer Bereich, geschützt), während zum geerdeten Ende hin Strom vom Mantel zum Elektrolyten fließt (anodischer Bereich, korrodiert). Die anodische Zone liegt normalerweise 50–150 mm vom geerdeten Ende entfernt. Die Korrosionsrate in dieser Zone kann je nach Elektrolytleitfähigkeit und Streuspannung 0,5–2,0 mm/Jahr erreichen.

Bei einem mit Mittelabgriff geerdeten Heizgerät (d. h. die Mitte des Innenwiderstandsdrahtes ist geerdet, nicht jedoch der Mantel) ist der Mantel von der Erde getrennt, aber die Erdung des Innendrahtes erzeugt eine kapazitive Kopplung. Bei Wechselstrombetrieb fließen kleine Ströme (Mikroampere bis Milliampere) durch die MgO-Isolierung zum Mantel und anschließend zum Elektrolyten. Dadurch entsteht ein geringfügiger Streustrom über die gesamte Manteloberfläche, der zu einer allgemeinen Korrosion von 0,05–0,20 mm pro Jahr führt.

Auswirkung auf die thermische Leistung: Keine direkte Auswirkung
Die Wärmeübertragung und die thermische Leistung sind unabhängig von der Erdungsmethode. Die elektrische Erdung hat keinen Einfluss auf die Temperaturverteilung entlang des Mantels, die durch die Leistungsdichte und die Flüssigkeitsbedingungen bestimmt wird.

Kompromiss-Synthese: Erdungsmethode vs. Streustromrisiko
Erdungsmethode Lage der anodischen Zone Typische Korrosionsrate (mm/Jahr) Wandstärke (mm) für 5 Betriebsjahre Risikostufe
Erdfrei (ungeerdet)Keine 0.00 0.8 (nur mechanisch) Keine (aber statische Gefahr)
An einem Ende geerdet (Anschlussdose) In der Nähe des geerdeten Endes (50-150 mm) 0.5 - 2.0 mm/Jahr 3.5 - 10.5 mm Hoch – nicht möglich
Dielektrische Isolierung + ein Ende geerdetKeine (bei ordnungsgemäßer Isolierung) 0.00 0.8 mm Isolierung: Keine
Mantel schwebend (geerdet in der Mitte-tap)Gleichmäßig entlang des Mantels 0,05 – 0,20 mm/Jahr 1,1 – 1,8 mmNiedrig zu Mod
Mittelhahn geerdet + MgO-Feuchtigkeitskontrolle. Gleichmäßig 0,02 – 0,05 mm/Jahr 0,9 – 1,1 mm Akzeptabel
Die einseitige Erdung ohne dielektrische Isolierung ist bei leitfähigen Elektrolyten nicht anwendbar, da die lokale Korrosionsrate in der Nähe des geerdeten Endes höher als 0,5 mm/Jahr ist, was unpraktisch dicke Wände erfordert.

Technik hinter der Mauer: Dielektrische Isolations- und Erdungspraktiken
Bei mit Titan ummantelten Heizgeräten, die in leitfähigen Elektrolyten verwendet werden, besteht die bevorzugte Praxis darin, erdfrei (erdfrei) mit Erdschlusserkennung zu betreiben. Der Heizer ist durch PTFE- oder PEEK-Dichtungen und -Manschetten elektrisch vom Tank isoliert. Ein Erdschlusswächter gibt eine Warnung aus, wenn der Leckstrom einen sicheren Grenzwert erreicht (normalerweise 5–30 mA). Dadurch wird Streustromkorrosion vollständig eliminiert.

If the electrical code requires grounding (for example, for personnel safety), a dielectric union or insulated flange must be provided between the grounded junction box and tank on a one-end grounded heater. This avoids anodic sheath. The dielectric isolation shall be tested to a resistance of >100 MΩ bei 500 VDC. Oder die Mittelabgriffserdung mit einer schwimmenden Ummantelung sorgt für einen kontrollierten, niedrigen-Streustrom, der weniger Korrosion verursacht, wenn die MgO-Isolierung trocken und von guter Qualität ist.

Fazit: ungeerdet mit FI-Schutzschalter bevorzugt-Wandstärke ist irrelevant
Die elektrische Erdungsmethode eines mit Titan ummantelten Heizgeräts in einem leitfähigen Elektrolyten (5 % NaCl) bestimmt das Risiko von Streustromkorrosion, die unpraktisch dicke Wände erfordern kann, um eine Lebensdauer von 5 Jahren zu erreichen. Die Erdung eines Endes ohne dielektrische Isolierung führt zu lokalen Korrosionsraten von 0,5-2,0 mm pro Jahr in der Nähe des geerdeten Endes und erfordert Wände von 3,5-10,5 mm-, die bei Heizrohren nicht möglich sind. Die Spezifikation sollte für eine ungeerdete (schwimmende) Heizung mit Fehlerstromschutzschalter (FI-Schutzschalter) und dielektrischer Isolierung am Montageflansch gelten. Dadurch wird Streustromkorrosion beseitigt und eine normale Wandstärke von 1,0–1,2 mm ermöglicht. Wenn eine Erdung erforderlich ist, installieren Sie eine dielektrische Verbindung und eine Erdung an einem Ende oder verwenden Sie eine Mittelabgriffserdung mit trockenem MgO guter Qualität. Teilen Sie dem Hersteller die Erdungsmethode und die Elektrolytleitfähigkeit mit, die erforderlich sind, um sicherzustellen, dass Streustromkorrosion reduziert wird. Die Wandstärke ist eine sekundäre Variable. Die wichtigste Designanforderung ist die Vermeidung von Streuströmen.