Warum versagt ein Titan-Tauchsieder mit geschweißter Endkappe schneller durch Spaltkorrosion an der Schweißnahtwurzel als durch allgemeines Verdünnen in einer 5 %igen Natriumhypochloritlösung bei 60 Grad?

Das 5 %ige Natriumhypochlorit (NaOCl) ist bei 60 Grad ein starkes Oxidationsmittel und Titan weist eine geringe gleichmäßige Korrosionsrate von 0,01–0,05 mm pro Jahr auf. Allerdings weist ein Tauchsieder einen Riss an der Schweißnahtwurzel der geschweißten Endkappe auf – dem Raum zwischen der Endkappe und der Rohrwand auf der Innenseite des Heizgeräts. Diese Rissgeometrie fängt stationären Elektrolyten ein. In der Spalte zersetzt sich Hypochlorit zu Chlorid und Sauerstoff und die Chloride konzentrieren sich auf das 5- bis 10-fache der Massenkonzentration. Im Inneren des Risses wird die Passivschicht zerstört und die Korrosionsrate steigt auf 0,3–1,0 mm pro Jahr, 10–100-mal schneller als bei gleichmäßiger Ausdünnung. Der Fehler tritt hauptsächlich an der Schweißnahtwurzel auf, häufig ohne erkennbare äußere Korrosion.

Mechanismus der Spaltkorrosion an der Schweißnahtwurzel in Hypochlorit

Die oxidierenden Bedingungen in der Hypochloritlösung führen zur Bildung eines stabilen Passivfilms. Die Geometrie des Schweißwurzelspaltes ist begrenzt, so dass eine Sauerstoffnachfüllung nicht möglich ist. Hypochlorit zersetzt sich: 2OCl - → O 2 + 2Cl - . Die Chloridkonzentration steigt und Sauerstoff wird verbraucht. Mit der Bildung der unterchlorigen Säure sinkt der lokale pH-Wert. Die Kombination aus hohem Chloridgehalt, niedrigem Sauerstoffgehalt und niedrigem pH-Wert schadet dem Passivfilm. Die große äußere Kathode (der Rest der Heizung) erzeugt eine schnelle anodische Auflösung im Spalt. Die Schweißwurzelgeometrie enthält auch Restzugspannungen aus dem Schweißen, die zur Bruchauslösung beitragen.

Quantitative Korrosionsraten von Spalten an der Schweißwurzel

Corrosion rates for Grade 2 titanium at different heater positions were determined using controlled tests in 5% NaOCl at 60°C for 1,000 hours. The tube body (smooth surface, no crevice) is uniformly corroded at a rate of 0.01–0.03 mm year−1 and the surface is bright, without pitting. For the outer weld toe (the outside of the welded end cap), the corrosion rate is 0.02~0.05 mm per year and mild etching is seen on the surface. For the weld root crevice (inner gap of 0.1–0.3 mm) crevice corrosion rate is 0.3–0.8 mm per year, considerable grooving is observed, and perforation of a 1.2 mm wall takes place in 1,500–4,000 hours. When the end cap is inadequately fitted (gap >0,5 mm) an der Schweißnahtwurzel steigt die Spaltkorrosionsrate auf 0,5–1,2 mm/Jahr und die Perforation tritt zwischen 1.000 und 2.500 Stunden auf.

Einfluss der Hypochloritkonzentration und -temperatur auf die Schwere der Spaltkorrosion

Der Schweregrad der Schweißwurzelspaltkorrosion nimmt mit dem Hypochloritgehalt und der Temperatur zu. Die Spaltkorrosionsrate bei 60 Grad und 1 % NaOCl betrug 0,15–0,40 mm/Jahr. Die Rate beträgt 0,30–0,80 mm/Jahr bei 5 % und 60 Grad. Die Rate beträgt 0,50–1,20 mm pro Jahr bei 10 % und 60 Grad. Bei 5 % und 40 Grad beträgt die Rate 0,10–0,25 mm pro Jahr. Bei 5 % und 80 Grad steigt die Rate auf 0,50 bis 1,00 mm/Jahr-1 . Der Einschluss von Chloriden in die Hypochloritlösung (aus gealtertem Bleichmittel) erhöht die Spaltkorrosionsrate um weitere 30–50 %.

Handbuch zur Gestaltung und Schadensbegrenzung von Schweißnähten im Chlorbereich

Die folgende Tabelle enthält Vorschläge für die Gestaltung von Endkappenschweißnähten und alternative Konstruktionen zur Vermeidung von Spaltkorrosion in 5 % Natriumhypochlorit bei 60 Grad.

Schweißkonstruktion Spaltspalt (mm) Voraussichtliche Spaltkorrosionsrate (mm/Jahr) 1,2 mm Zeit bis zur Perforation der Wand (Stunden) Hinweis
Vollständige Schweißnaht, bodenbündig 0 (kein Spalt)<0.05 >10.000 Best Practices
Teilweise durchgeschweißte Schweißnaht, Spalt<0.1 mm <0.1 0.15-0.35 3,500-8,000Acceptable for inspection
Teilweise durchgeschweißte Schweißnaht, Spalt 0,1–0,3 mm 0.1-0.3 0.30-0.80 1500-4000 marginal
Überlappungsschweißung (Kappe über Rohr), Spalt 0,3–0,5 mm 0,3–0.5 0.50–1.00 1,200–2.500Nicht empfohlen
Stumpfschweißung mit Stützring 0,2–0.4 0.40–0.90 1,300–3.000 Vermeiden Sie Engineering Beyond Weld Design

Die Titansorte beeinflusst die Spaltkorrosionsbeständigkeit. Grad 7 (Palladium-stabilisiert) hat eine 3–5-mal längere Startzeit und eine um 50–70 % geringere Ausbreitungsrate als Grad 2 in Hypochloritspalten. Note 12 ist eine mittlere Verbesserung. Die Wandstärke ergibt einen Materialspielraum von . 2.0 mm. Die Wand hat bei einer Spaltkorrosion von 0,5 mm pro Jahr eine Lebensdauer von 4 Jahren. Die Endkappe muss als vollständig durchdringende Stumpfnaht ausgeführt sein und sowohl innen als auch außen bündig mit dem Boden abschließen. Wenn ein Spalt nicht vermieden werden kann, wird der Raum mit einem PTFE-Band oder einem Fluorpolymer-Dichtmittel abgedichtet, um das Eindringen von Elektrolyt zu verhindern. Die Hypochloritkonzentration in Spalten wird durch regelmäßiges Spülen des Heizgeräts mit Frischwasser reduziert.

Spezifität mit Sicherheit

Geben Sie für einen Titan-Tauchsieder in 5 % Natriumhypochlorit bei 60 Grad eine vollständig durchdringende Stumpfschweißung für die Endkappe an, die innen und außen bündig geschliffen ist, um eine spaltenfreie Geometrie zu erreichen. Wenn das Schweißen mit vollständiger Durchschweißung nicht möglich ist, sollte ein minimaler Schweißwurzelspalt von weniger als 0,1 mm festgelegt werden und eine Prüfung nach dem Schweißen erforderlich sein, um die Spaltgröße zu bestätigen. Für kritische Anwendungen sollte Titan der Güteklasse 7 spezifiziert und ein Helium-Lecktest zur Überprüfung der Schweißnahtintegrität durchgeführt werden. Überprüfen Sie den Schweißbereich während des Betriebs vierteljährlich mit einem Endoskop oder einem Farbeindringmittel. Wenn Korrosionsprodukte in der Schweißnaht sichtbar sind, ersetzen Sie die Heizung. Durch die Gestaltung einer spaltfreien Schweißnahtwurzel wird der schnelle Korrosionsmechanismus beseitigt, sodass die Lebensdauer des Heizgeräts nur durch eine gleichmäßige Ausdünnung begrenzt wird.