Zakaj se pri električnih grelnih ceveh iz nerjavečega jekla 316 pospeši korozija v špranjah pod podpornimi nosilci iz PTFE v zmernih -kloridnih rezervoarjih za toplo vodo?

Podporni nosilci za električne grelne cevi v rezervoarjih za toplo vodo so pogosto izdelani iz politetrafluoroetilena (PTFE) ali drugih fluoropolimerov in se uporabljajo za zaščito plašča iz nerjavečega jekla 316 na stene rezervoarja iz ogljikovega jekla. Ta zasnova preprečuje galvansko korozijo različnih kovin, vendar analiza napak na terenu komercialnih grelnikov vode in sistemov za shranjevanje toplote kaže, da špranja, ki nastane med nosilcem iz PTFE in plaščem iz nerjavečega jekla 316, ustvarja agresivno lokalno kemijo, ki spodbuja luknjičasto in razpokano korozijo, kar pogosto povzroči okvaro grelnika v 6-18 mesecih v vodi, ki vsebuje samo 50-150 ppm klorida. Sam material PTFE je kemično inerten, vendar nevpojna neprepustna značilnost PTFE preprečuje vstop kisika in vode v tesno razpoko, kar vodi do diferencialne tvorbe prezračevalnih celic. Ko se razpoka oblikuje, voda, ujeta v špranjo, izvede reakcije hidrolize, ki znižajo lokalni pH na vrednosti 3,5-4,0. Kloridni ioni se premaknejo v špranjo, da ohranijo nevtralnost naboja in dosežejo koncentracije do 10-krat večje od koncentracije vode. Ta članek ocenjuje kinetiko režne korozije pod nosilci iz PTFE na plaščih iz nerjavečega jekla 316 in predlaga inženirske tehnike za preprečevanje tega načina okvare pri oskrbi s toplo vodo.

Elektrokemični mehanizem špranjske korozije pod neporoznimi polimernimi nosilci
Mehanizem špranjske korozije na nerjavnem jeklu 316 zahteva geometrijsko režo, ki je običajno manjša od 0,1 mm, da se oblikuje območje z omejeno difuzijo. Ko so vpeti na plašč, ki vsebuje gumijaste ali silikonske blažilne plasti, lahko podporni nosilci iz PTFE ustvarijo vrzeli 0,05–0,3 mm, odvisno od razlik v stiskanju in toplotnem raztezanju. Ko voda v razsutem stanju vdre v to špranjo, se kisik v zaprti prostornini hitro izčrpa zaradi procesov katodne redukcije na kovinski površini. V katodnem procesu se kisik in elektroni reducirajo, da tvorijo hidroksidne ione: O 2 + 2H 2 O + 4e- → 4OH - Ker pa je PTFE neprepusten za difuzijo kisika, ni dopolnjevanja iz vode. Majhen volumen, ki se ujame, se odzrači in lokalni potencial se premakne v območje aktivne korozije za nerjavno jeklo 316. Kovinski klorid v špranji je podvržen hidrolizi, da nastane prosta kislina: FeCl 2 + 2H 2 O → Fe(OH) 2 + 2HCl. Ta avtokatalitična metoda zmanjša pH na ravni, ki depasivirajo nerjavno jeklo 316, kar zahteva samo 50–100 ppm klorida v razsutem stanju, da začne in vzdržuje napad.

Eksperimentalne študije z mikroelektrodami, nameščenimi v razpoke med bloki PTFE in ploščami iz nerjavečega jekla 316 v 100 ppm kloridne vode pri 70 stopinjah, kažejo napredovanje, kot sledi:

Prvih 24 ur: pH v masi 7,2, pH v razpoki 6,5, klorid v razpoki 120 ppm.

72 ur. pH reže 5,2, klorid 280 ppm. Potencial odprtega kroga se premakne od +50 mV do -250 mV glede na Ag/AgCl.

168 ur pH 3,8 klorid 960 ppm (reža). Vidna luknjica se začne na robu špranje.

336 ur: pH 3,2, koncentracija klorida v razpoki 1100 ppm Hitrost penetracije jame več kot 0,1 mm na teden pri 70 stopinjah.

Pri rezervoarjih za toplo vodo s temperaturo 60–80 stopinj se stopnja korozije poveča za faktor 2–3 za vsakih 10 stopinj zaradi hitrejše stopnje difuzije in agresivnejše kinetike hidrolize.

Kritična širina reže in težave z združljivostjo materialov
Niso vse razpoke enako škodljive. Najbolj agresivna režna korozija se pojavi v določenem geometrijskem območju in vmesnik PTFE–nerjavno jeklo pade prav v ključno območje. Rezultati nadzorovanih študij vrzeli v nerjavnem jeklu 316 v 150 ppm kloridne vode pri 75 stopinjah so naslednji. Povezava med širino reže in največjo globino jame po 500 urah je:

Širina reže (mm) Stanje difuzije kisika Največja globina jame (mm) Morfologija jame < 0,02 (v bistvu stik med kovino in kovino) Brez vdora vode, brez korozije v špranjo 0,00 Brez napada 0,02 – 0,08 Hudo pomanjkanje kisika, omejen vdor vode 0,25 – 0,45 Globoke ozke jame
0,08 – 0,25 Zmerna izmenjava vode, aktivni avtokatalitični cikel 0,40–0,70 Velike spodrezane luknje
0,25 – 0,50 Nižja resnost, delno kroženje vode 0,15 – 0,30 Število plitvih jarkov 0,50 Prosto kroženje vode, možna difuzija kisika < 0,05 Minimalni napad Stiskanje podpornih nosilcev iz PTFE s kovinskimi trakovi ali vzmetnimi sponkami pogosto povzroči vrzeli v razponu 0,05–0,20 mm. Zato je PTFE posebna težava pri poroznih materialih, kot so guma ali kompoziti, ojačani z vlakni. Gumijasta tesnila in materiali EPDM (etilen propilen dien monomer) so nekoliko prepustni za kisik, kar omogoča postopen prehod, ki občasno lahko vzdrži pasivne pogoje. PTFE ima prepustnost kisika približno 0,5 × 10⁻¹³ cm³·cm/(cm²·s·Pa) in je zato praktično popolna kisikova pregrada, kar pomeni, da je prostornina reže popolnoma odzračena.

Terenski podatki o skrajšanju življenjske dobe komercialnih grelnikov vode
Analiza porazdelitve temeljnega vzroka 247 okvarjenih 316 električnih grelnih cevi iz nerjavečega jekla, vrnjenih iz komercialnih hranilnikov tople vode (zmogljivost 150–500 litrov, nastavljena točka 60–80 stopinj, komunalna voda s 40–200 ppm klorida), je razkrila: 43 % okvar, ki so se začele pri razpokah nosilcev PTFE, 31 % na območjih,-prizadetih z varjeno toploto, 18 % pri tesnilih sponk in 8 % zaradi splošnih lukenj na ravnih odsekih plašča. Mediani čas do okvare za okvare,-povezane s PTFE, je bil 14 mesecev v primerjavi z 31 meseci za okvare,-povezane z zvarom, in 46 mesecev za splošne okvare zaradi luknjičastih lukenj.

Pri grelnikih z nosilci iz PTFE v najtoplejšem vodnem območju blizu dna rezervoarja so opazili krajša obdobja odpovedi. Najbolj vroča voda se zaradi lokalnih učinkov segrevanja razsloji v spodnji tretjini rezervoarjev za shranjevanje in doseže temperaturo plašča za 5–15 stopinj nad nastavljeno točko skupne količine. Nosilci iz PTFE v grelnikih, ki so delovali pri 75 stopinjski temperaturi in v območju 80–85 stopinj, so odpovedali v povprečno 8–11 mesecih.

Kvantitativna preiskava podatkov o kemiji vode iz okvarjenih grelnih naprav kaže na visoko povezavo med koncentracijo klorida in časom do okvare špranje PTFE-:

< 30 ppm chloride: No PTFE crevice failures recorded in 60 months.

30-80 ppm klorida: mediana neuspeh 28 mesecev (razpon 18-48 mesecev).

80-150 ppm klorida Mediana napaka 12 mesecev Razpon 6-24 mesecev.

150-300 ppm klora Mediana napaka 4 mesece Razpon 2-8 mesecev

Praktična posledica je, da so podporni nosilci iz PTFE najšibkejši člen v sklopu grelnika v mnogih komunalnih vodnih virih (običajno 20-100 ppm klorida), čeprav bi raven klorida v razsutem stanju nakazovala, da bi nerjavno jeklo 316 moralo zadostovati za 5-10 let.

Spremembe konstrukcije za odpravo težave s PTFE režami
Poleg osnovne zasnove rezervoarja obstajajo številne tehnične prakse, ki jih je mogoče uporabiti za zmanjšanje korozije v špranjah pod nosilnimi nosilci. Najučinkovitejše metode spreminjajo material nosilca, geometrijo namestitve ali kakovost površine plašča na kontaktni točki.

Najprej zamenjajte PTFE nosilce s kisikom prepustnimi ali popolnoma poroznimi materiali. V nosilcu iz penaste gume EPDM je odprta pot za difuzijo kisika skozi polimerno matrico, tako da se na kovinski površini ohrani pozitiven potencial tudi pri stiskanju. Preskusi PTFE v primerjavi z nosilci iz pene EPDM na 316 plaščih v 150 ppm kloridne vode pri 75 stopinjah kažejo, da grelniki, opremljeni z EPDM-, po 2000 urah ne kažejo nobenih lukenj v špranjah, vendar so grelniki, opremljeni s PTFE-, v 500 urah ustvarili 0,4 mm luknjice.

Drugič, preoblikujte toge nosilce z odtočnimi kanali. Blok iz PTFE ne bo neprekinjen, ampak bo imel tri-točkovne kontaktne ploščice (vsaka ploščica široka 3-5 mm) s 5 mm presledki med njimi. Dolžina stika s plaščem naj bo 20-40 mm. Vrzeli omogočajo pretok vode in kisika v ujete prostore. Preizkušanje dokazuje, da zasnova nosilca s tremi blazinicami zmanjša globino korozije špranje za 80 % v primerjavi z nosilcem s trdnim kontaktom.

Tretjič, določite toplotno razpršeno aluminijasto prevleko na ovoju na kontaktnih mestih nosilca. To je posledica 0,1–0,2 mm debeline aluminijaste prevleke, ki bo prednostno korodirala in zagotovila žrtveno anodo za zaščito spodnjega nerjavečega jekla 316. Pospešeno testiranje v 200 ppm klorida pri 80 stopinjah razkrije, da so kontaktne točke, prevlečene z aluminijem, nedotaknjene in po 3000 urah ni luknjičastih madežev 316. Kontrole brez premaza niso uspele v 500-800 urah.

Četrtič, če imate obstoječe PTFE nosilce, ki jih ni mogoče prilagoditi, med nosilec in ovoj postavite visokotemperaturno polisulfidno tesnilo ali silikonsko tesnilo. Tesnilo v celoti zamaši fisuro, s čimer prepreči vdor vode in diferencialno prezračevalno celico. Toda ta metoda zahteva previdno izvajanje in redne preglede, saj se bo tesnilna masa sčasoma poslabšala in ponovno -vzpostavila razpoko.

Jezik specifikacije za nosilce grelnikov, odporne proti koroziji
Pri nabavi električnih grelnih cevi iz nerjavečega jekla 316 za sisteme za shranjevanje tople vode, ki uporabljajo podporne nosilce iz PTFE ali drugih polimerov, morajo inženirji v specifikacijo naročila vključiti naslednje zahteve. Za koncentracijo klorida v razsutem stanju, večjo od 50 ppm, zahtevajte, da je bodisi material nosilca za kisik -prepusten polimer (npr. pena EPDM) ali mora nosilec imeti drenažne kanale širine najmanj 2 mm, razmaknjene v intervalih, ki ne presegajo 10 mm, ali pa mora biti površina plašča na vseh točkah stika opremljena z razpršenim aluminijastim ali cinkovim premazom debeline najmanj 0,1 mm. Za rezervoarje, za katere se pričakuje, da bodo vsebnost klorida višja od 150 ppm, priporočamo popolno odstranitev polimernih nosilcev z uporabo plaščev z vgrajeno varjenimi stojali (316 štrline iz nerjavečega jekla iz glavne cevi) ali nadgradite material plašča v super-avstenitno zlitino 254 SMO ali titan stopnje 2. Terenske študije iz sistemov za shranjevanje toplote, ki uporabljajo zasnovo varjenega stojala, zagotavljajo mediano življenjska doba grelnika več kot 8 let v vodi, ki vsebuje 200–300 ppm klorida, v primerjavi s 4–8 meseci za PTFE-zasnove z oklepaji pri isti storitvi. Ob zavedanju, da težava ni v nerjavnem jeklu 316, ampak v razpoki, ki jo povzroča sicer neškodljiv nosilec iz PTFE, lahko inženirji določijo preproste in poceni prilagoditve zasnove, da odstranijo najpogostejši način okvare v komercialnih sistemih grelnikov tople vode.