Wie sollte bei der Nachrüstung eines vorhandenen Kohlenstoffstahltanks mit Titan-Tauchsiedern für 25 %ige Schwefelsäure bei 95 Grad die Konfiguration des Heizbündels Streustromkorrosion vermeiden?

Der grundlegende Kompromiss-von der Nachrüstung von Titanheizungen zu Kohlenstoffstahltanks
Die Verwendung von Tauchsiedern aus Titan anstelle herkömmlicher Kohlenstoffstahltanks führt zu einem Problem der galvanischen Kompatibilität. Der Tank wird mit 25 %iger Schwefelsäure bei 95 °C betrieben. Somit steht mit beiden Materialien der gleiche leitfähige Elektrolyt in Kontakt. Titan ist edel (Korrosionspotential ca. . +0.2 V gegenüber Ag/AgCl in verdünnter Schwefelsäure), während Kohlenstoffstahl aktiv ist (ca. −0,4 V gegenüber Ag/AgCl). Die Tankwand steht in direktem Kontakt mit Titan und Kohlenstoffstahl und es bildet sich eine galvanische Zelle, die eine schnellere Korrosion des Kohlenstoffstahls verursacht. Auch Streuströme von Schweiß-, Erdungssystemen oder nahegelegenen elektrochemischen Betrieben können sich auf das Titan-Heizbündel konzentrieren. Die Konfiguration des Heizbündels-wie die einzelnen Titanrohre gestapelt, gestützt und elektrisch isoliert sind-hat direkten Einfluss auf die Menge und Verteilung dieser Streu- und galvanischen Ströme. Die Wandstärke beeinflusst den Widerstand gegen lokale Angriffe bei konzentrierten Strömen, die wichtigste Antwort ist jedoch die elektrische Isolierung. In dieser Arbeit werden Konfigurationsregeln zur Vermeidung von Streustromkorrosion bei der Nachrüstung von Kohlenstoffstahltanks festgelegt.

Auswirkung auf die mechanische Integrität: Galvanische und Streustrommechanismen
Wenn eine Titanheizung direkt an einem Tankflansch aus Kohlenstoffstahl befestigt wird, werden die beiden Metalle durch die Montageteile elektrisch verbunden. Beim Kontakt zwischen Titan-Kathode/Kohlenstoffstahl-Anode in 25 % H 2 SO 4 bei 95 Grad kann die galvanische Stromdichte bis zu 50-200 µA/cm 2 . betragen. Dieser Strom zerstört Kohlenstoffstahl mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 2,0 mm pro Jahr, was ausreicht, um eine 6 mm dicke Tankwand in 3 bis 12 Jahren zu perforieren. Noch wichtiger ist, dass Streuströme von externen Quellen (z. B. Schweißgleichrichter, kathodische Schutzsysteme oder ungeerdete Stromversorgungen) einen niederohmigen Weg durch das Titan-Heizbündel nehmen können. Streuströme konzentrieren sich an der Titanoberfläche, da Titan einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand (55 µΩ·cm) als Kohlenstoffstahl hat (15–20 µΩ·cm sind bei Stahl tatsächlich niedriger, aber die passive Beschichtung von Titan fungiert als Gleichrichter). Dies führt zu örtlicher Lochfraßbildung oder Rillenbildung an den Stellen, an denen das Titan die Tankstützen berührt oder an denen sich Bündelrohre kreuzen. Die Wandstärke bietet einen Korrosionszuschlag: 1,2 mm. Die Titanwand kann 6 Jahre lang 0,2 mm Streustromlochfraß pro Jahr aushalten. Eine Wand von 2,0 mm kann 10 Jahre halten. Aber auch die Tankwand aus Kohlenstoffstahl (normalerweise 6–10 mm) ist anfällig für Korrosion, und der Austausch des Tanks ist deutlich teurer als der Austausch der Heizung.

Auswirkung auf die thermische Leistung: Bündelabstand und Stromverteilung
Die Konfiguration des Heizbündels beeinflusst die aktuelle Verteilung durch den Elektrolyten. Eng angeordnete Titanrohre (weniger als das 3-fache des Rohr-Außendurchmessers von Mitte -zu --Mittenabstand) bieten einen Kanal mit geringem Widerstand für Streuströme, wodurch die Stromdichte am Umfang des Bündels (. 4 auf das 5-fache des Außendurchmessers) konzentriert wird und Stromstaus und lokale Angriffe verringert werden. Die thermische Folge größerer Abstände ist eine größere Bündelfläche und möglicherweise eine geringere Homogenität der Wärmeübertragung. Dies ist jedoch zur Vermeidung von Korrosion akzeptabel. Der räumliche Abstand und die elektrische Isolierung sind wichtig, nicht jedoch die Wandstärke. Es hat keinen Einfluss auf die aktuelle Verteilung.

Bündelkonfiguration zur Streustromminderung: Synthese des Kompromisses-
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Röhrenabstand (Mitte-zu-Mitte)4× minimaler Außendurchmesser der Röhre50–70 % Reduzierung der StromstauungBenötigt größere TanköffnungDer elektrische Widerstand durch den Elektrolyten nimmt mit zunehmender Entfernung zu.
TankflanschmontagePTFE- oder PEEK-Dichtungen und -Manschetten isoliert Eliminiert galvanischen Kontakt > 90 % Reduzierung des Streustrompfads Keine Auswirkungen Der galvanische Stromkreis wird durch elektrische Isolierung unterbrochen.
Tankrohrhalter innenNicht leitend (PTFE, Keramik oder beschichtet)Verhindert die Betonung vorhandener StützpunkteKeine Auswirkung Verhindert den Metall-{0}}zu-Kontakt zwischen Titan und Kohlenstoffstahl.
Bündelerdung. Einzelpunkt-Erdung über 10-Ω-Widerstand. Reduziert statische Aufladung und Streustromamplitude. Keine Auswirkung. Der Widerstand begrenzt den Stromfluss, das Potenzial kann jedoch nicht schweben.
Wandstärke (in Bereichen, in denen sich der Strom konzentrieren kann) 1,5 mm - 2.0 mm Korrosionszuschlag bei Versagen der Isolierung Geringer thermischer Nachteil (1–2 Grad höhere Oberfläche) Eine dickere Wand kann lokalisierten Lochfraß durch verbleibende Streuströme widerstehen.
Engineering Beyond the Bundle Elektrische Isolierung und Überwachung
Der wichtigste Schritt bei der Nachrüstung ist die elektrische Isolierung zwischen dem Titan-Heizbündel und dem Kohlenstoffstahltank. PTFE-Dichtungen (3 mm dick) am Montageflansch ergeben in Kombination mit PTFE-beschichteten Bolzen oder Isolierhülsen > 100 M? Widerstand bei 500 V DC. Dadurch wird der galvanische Stromkreis unterbrochen und Streuströme vom Titan abgeleitet. Ein Erdungswiderstand (10-50 Ω) ist zwischen dem Heizbündel und der Tankerde angeschlossen. Dies verhindert den Aufbau statischer Aufladung-und begrenzt Fehlerströme. Die Spannung zwischen dem Titanbündel und der Tankwand wird regelmäßig (mit einem Hochimpedanz-Voltmeter) überprüft, um eine Verschlechterung der Isolation festzustellen. Beträgt die Gleichspannung mehr als 0,5 V, besteht die Möglichkeit einer aktiven galvanischen oder Streustromkorrosion.

Fazit: Der Hauptschutz ist die elektrische Isolierung, nicht die Wandstärke
The titania immersion heaters for 25% sulphuric acid at 95°C were retrofitted to an existing carbon steel tank and electrical isolation of the titania from the carbon steel tank was required to prevent stray current and galvanic corrosion not increased titanium wall thickness. The suggested setup is PTFE isolation gaskets at all mounting locations, non-conductive tube supports (ceramic or PTFE), tube spacing of at least 4× OD, and single point grounding via a 10 Ω resistor. When properly isolated, the corrosion mechanism is uniform acid attack (0.02 – 0.05 mm per year) and a service life of 10+ years can be achieved with a conventional titanium wall thickness of 1.2 – 1.5 mm. Even a 3.0 mm titanium wall without insulation will not prevent the carbon steel tank against galvanic perforation. When specifying a retrofit heater bundle, expect documented electrical isolation testing (megger test at 500 V DC, >100 MΩ) und enthalten ein Erdungsschema. Der Heizungshersteller muss dem Paket Isolationssätze beilegen und der Installateur muss die Isolierung prüfen, bevor das System eingeschaltet wird.