Wie verändert sich die galvanische Stromdichte zwischen einem Titanheizgerät und einer Tankwand aus Kohlenstoffstahl, wenn die Oxidschicht des Heizgeräts beschädigt wird?

Für einen Verfahrenstechniker, der einen Titan-Tauchsieder in einem Kohlenstoffstahltank installieren muss, hängt die galvanische Stromdichte zwischen den beiden Metallen entscheidend von der Integrität der passiven Oxidschicht auf Titan ab. Wenn die Oxidschicht intakt ist, hat Titan in den meisten belüfteten Elektrolyten ein edleres Potential (etwa +0.1 bis +0.3 V vs. SCE), während Kohlenstoffstahl ein aktiveres Potential hat (etwa -0,5 bis -0,7 V vs. SCE). Der galvanische Strom fließt vom Kohlenstoffstahl (Anode, korrodierend) zum Titan (Kathode, geschützt). Die Stromdichte beträgt typischerweise 0,1–1,0 µA/cm 2 Titanoberfläche. Wenn der Oxidfilm zerstört wird (durch Kratzen, Abrieb oder lokale chemische Angriffe), hat das freigelegte blanke Titan ein aktives Potenzial, das dem von Kohlenstoffstahl entspricht oder negativer ist (etwa –0,6 bis –0,8 V gegenüber SCE). Der galvanische Strom wird umgekehrt: Titan wird zur Anode und korrodiert schnell, wobei die Stromdichten 100–1.000 µA/cm² erreichen – eine 100- bis 1.000-fache Steigerung. Diese umgekehrte galvanische Kopplung kann eine Titanheizung innerhalb weniger Wochen durchbrennen.

Galvanische Umkehr und der Mechanismus der Oxidschichtschädigung
Die passive Beschichtung aus TiO₂ auf Titan ist ein Halbleiter vom n--Typ und hält eine hohe kathodische Stromdichte für die Reduktion von Sauerstoff aufrecht, blockiert jedoch den anodischen Strom vom Titansubstrat. Wenn der Film intakt ist, ist Titan eine wirksame Kathode, die die Korrosion von verbundenem Kohlenstoffstahl vorantreibt. Wenn der Film zerstört wird, wird der freigelegte blanke Titanbereich (normalerweise < 1 % der Gesamtoberfläche) zu einem Bereich mit gemischtem Potenzial. Der große umgebende passive Bereich fungiert immer noch als Kathode, aber jetzt fungiert der kleine blanke Titananteil als Anode. Der erzeugte galvanische Strom ist auf den Defekt begrenzt und erzeugt anodische Stromdichten von 100–1.000 µA/cm2, die ausreichen, um eine aktive Auflösung aufrechtzuerhalten und eine Repassivierung zu verhindern.

Das Schadensflächenverhältnis (A_beschädigt / A_passiv) ist der entscheidende Parameter. Für das Beispiel eines 1 cm2 großen Kratzers auf einer 1000 cm2 großen Heizung (0,1 % der Fläche sind beschädigt) beträgt die galvanische Stromdichte auf dem Kratzer (i_galvanisch * A_passiv) / A_beschädigt. Wenn die galvanische Stromdichte zwischen passivem Titan und Kohlenstoffstahl 0,5 µA/cm² beträgt, beträgt die Stromdichte am Kratzer (0,5 × 1000) / 1=500 µA/cm²-ausreichend, um Titan mit etwa 0,5 mm/Monat aufzulösen.

Messung der galvanischen Stromdichte auf intaktem und beschädigtem Oxid
Zustand Zustand der Oxidschicht Titanpotential (V vs. SCE) Galvanische Stromdichte (µA/cm2 Ti) Richtung Titankorrosionsrate (mm/Jahr)
Aquatische Luftinjektion, befestigt an KohlenstoffstahlIntakter 0.2 0.3 Stahl > Ti (Korrosion) < 0,01 (Ti-geschützt)
Belüftetes Meerwasser, 1 % Oberfläche zerkratzt Beschädigt (1 % Fläche) -0,4 (gemischt) 5 (insgesamt)Ti (Kratzer) → Stahl (lokal) 0,5 (am Kratzer)
Belüftetes Meerwasser 5 % Oberfläche zerkratzt Beschädigt (5 % Fläche) -0,5 (gemischt) 10 (insgesamt) Ti (Kratzer) → Stahl 1,0 (an Kratzern)
Entlüftetes Meerwasser, jeder Oberflächenzustand Passivfilm instabil -0,6 bis -0.8 50–200 Ti → Stahl (Ti korrodiert) 2–10 (gleichmäßig)
Intact film, acid chloride (pH 3)Intact, but less stable 0.0 to +0.1 1-5 Steel ->Ti (Korrosion von Stahl) < 0,05
Acid chloride (pH 3), scratched Damaged -0.4 to -0.6 50-500 Ti (scratch) ->Stahl 2-20 (lokal)
Ein szenariobasierter Ansatz zur galvanischen Kopplungskontrolle mit Kohlenstoffstahl
Oxidzustandselektrolyt der TankmaterialheizungEmpfohlen: Minderung des galvanischen Risikos
Kohlenstoffstahl Unbeschichtet Belüftetes MeerwasserNiedrig (Stahl rostet, Ti-geschützt) Akzeptabel. Korrosionsschutz für Stahltank erforderlich.
Kohlenstoffstahl zerkratzt (mechanischer Schaden) kohlensäurehaltiges Meerwasser hoch (Ti korrodiert an Kratzern) elektrische Isolierung von Ti vom Stahl. Verwenden Sie Unterlegscheiben aus Gummi oder Nylon.
Kohlenstoffstahl Beliebig entlüftet (sauerstofffrei)Sehr hoch (Ti aktivElektrische Isolierung. O2 ist nicht erforderlich, damit Ti gleichmäßig korrodiert.
Intakter Kohlenstoffstahl, verdünnte Säure (pH 4–6), mäßig (Stahl rostet schnell), elektrische Isolierung. Stahl wird schnell brechen. Benutzen Sie einen Plastikbehälter.
Kohlenstoffstahl Beschädigt (chemischer Angriff) Verdünnte Säure Sehr hoch (Ti ist an Fehlerstellen anfällig für Korrosion) Eine sofortige Isolierung ist erforderlich. Ersetzen Sie die beschädigte Heizung
Edelstahl (kathodisch zu Ti im passiven Zustand) Beliebig Beliebig Niedrig bis mäßig (Ti etwas anodisch) Im Allgemeinen OK. Weniger starke Rückkopplung.
Technische Abhilfemaßnahmen zur galvanischen Umkehr
Wenn die Titanheizung Oberflächenschäden aufweist und in einem Kohlenstoffstahltank verwendet werden soll, muss sie elektrisch isoliert werden. An den Montageflanschen wird der galvanische Stromkreis durch Nylon- oder PTFE-Buchsen, Gummidichtungen und nichtleitende Rohrverschraubungen unterbrochen. Der galvanische Strom muss weniger als 1 µA betragen, was bedeutet, dass der Isolationswiderstand mehr als 1 MΩ betragen muss. Eine zweite Abhilfe besteht darin, eine Opferanode (Zink oder Aluminium) an der Titanheizung anzubringen, die Titan auch bei Beschädigung des Oxids auf einem kathodischen Potential hält. Titan löst sich nicht auf. Die Opferanode löst sich auf. Eine dritte Abhilfemaßnahme ist die periodische anodische Passivierung. Durch Anlegen eines kurzen anodischen Potentials (+0.5 V vs. SCE für 10 Minuten einmal pro Woche) wird die beschädigte Oxidschicht repariert, indem neues TiO₂ an den zerkratzten Stellen wächst, das Edelpotential wiederhergestellt wird und das galvanische Paar wieder in den Stahl--Anodenmodus zurückkehrt.

Fazit: Oxidschäden kehren den galvanischen Strom um und erhöhen die Ti-Korrosion um das 100- bis 1000-fache.
Durch die galvanische Verbindung des Titanheizers mit Kohlenstoffstahl ergeben sich bei intaktem Oxidfilm Stromdichten von 0,1 bis 1,0 µA/cm², wobei der Stahl als Anode korrodiert. Wird das Oxid durch Kratzer, Abrieb oder chemischen Angriff beschädigt, kehrt sich der galvanische Strom um und konzentriert sich mit Stromdichten von 100 bis 1.000 µA/cm² auf die beschädigte Stelle. Das umgekehrte galvanische Paar korrodiert Titan lokal mit 0,5-2 mm/Jahr an der Schadensstelle und führt innerhalb von Wochen bis Monaten zur Perforation einer 1,5-mm-Wandheizung. Bei jeder Anwendung, bei der eine Beschädigung der Oberfläche des Heizgeräts zu erwarten ist, ist die elektrische Trennung von Titan und Kohlenstoffstahl zwingend erforderlich. Bei der Installation einer Titanheizung in einem Kohlenstoffstahltank sind nichtleitende Montageteile und regelmäßige Überprüfungen des Isolationswiderstands erforderlich, um einen vorzeitigen Ausfall der Heizung aufgrund einer galvanischen Umkehrung zu verhindern.