ヒーターの酸化層が損傷すると、チタンヒーターと炭素鋼タンク壁の間のガルバニック電流密度はどのように変化しますか?

炭素鋼タンクにチタン浸漬ヒーターを設置する必要があるプロセス エンジニアにとって、2 つの金属間のガルバニック電流密度は、チタン上の不動態酸化物層の完全性に大きく依存します。酸化物層が損傷していない場合、チタンはほとんどの通気電解質中で貴な電位 (SCE に対して約 +0.1 ～ +0.3 V) を持ちますが、炭素鋼はより活性な電位 (SCE に対して約 -0.5 ～ -0.7 V) を持ちます。ガルバニック電流は炭素鋼 (陽極、腐食) からチタン (陰極、保護) に流れます。電流密度は通常、チタン表面積 cm 2 あたり 0.1 ～ 1.0 μA です。酸化膜が破壊されると（引っかき傷、摩耗、または局所的な化学的攻撃によって）、露出した裸のチタンは炭素鋼と同等以上のマイナスの活性電位を持ちます（SCE に対して約 -0.6 ～ -0.8 V）。ガルバニック電流が逆転します。チタンが陽極となり、電流密度が 100 ～ 1,000 μA/cm2 に達し、100 ～ 1,000 倍に増加すると急速に腐食します。この逆ガルバニック カップリングは、数週間でチタン ヒーターを噛み砕いてしまう可能性があります。

ガルバニック反転と酸化層損傷のメカニズム
チタン上の TiO₂ の不動態コーティングは n- 型半導体であり、酸素を還元するために高い陰極電流密度を維持しますが、チタン基板からの陽極電流をブロックします。チタンは、膜が無傷であれば、結合した炭素鋼の腐食を引き起こす効果的な陰極として機能します。フィルムが破壊されると、露出した裸のチタン領域 (通常は全表面の 1% 未満) が混合電位領域になります。周囲の大きな受動領域は依然としてカソードとして機能していますが、小さな裸のチタン部分はアノードとして機能しています。生成されるガルバニック電流は欠陥に限定され、100 ～ 1,000 µA/cm2 の陽極電流密度が生成されます。これは、積極的な溶解を維持し、再不動態化を防ぐのに十分です。

損傷面積率 (A_damagged / A_passive) が重要なパラメータです。 1000 cm2 のヒーター上の 1 cm2 の傷 (面積の 0.1% が損傷) の例では、傷のガルバニック電流密度は (i_galvanic * A_passive) / A_damaged です。不動態チタンと炭素鋼の間のガルバニック電流密度が 0.5 µA/cm² である場合、傷上の電流密度は (0.5 × 1000) / 1=500 µA/cm²- で、チタンを約 0.5 mm/月で溶解するのに十分です。

無傷の酸化物と損傷した酸化物のガルバニック電流密度の測定
状態 酸化層の状態 チタンの電位 (V vs. SCE) ガルバニック電流密度 (µA/cm2 Ti) 方向 チタンの腐食速度 (mm/年)
水中空気注入、炭素鋼に付着無傷 0.2 0.3 鋼 > Ti (腐食) < 0.01 (Ti 保護)
曝気海水、1 % 表面スクラッチ 損傷 (1 % エリア) -0.4 (混合) 5 (全体)Ti (スクラッチ) → スチール (局部) 0.5 (スクラッチ)
曝気海水 5% 表面傷 損傷 (5% エリア) -0.5 (混合) 10 (全体) Ti (傷) → スチール 1.0 (傷箇所)
脱気海水、任意の表面状態 不動態皮膜が不安定 -0.6 ～ -0.8 50–200 Ti → 鋼 (Ti 腐食) 2–10 (均一)
Intact film, acid chloride (pH 3)Intact, but less stable 0.0 to +0.1 1-5 Steel ->Ti (鋼の腐食) < 0.05
Acid chloride (pH 3), scratched Damaged -0.4 to -0.6 50-500 Ti (scratch) ->スチール 2-20 (局所的)
炭素鋼を使用したガルバニック結合制御のためのシナリオに基づくアプローチ-
タンクの材質 ヒーター 酸化物電解質 推奨: ガルバニックリスクの軽減
炭素鋼 コーティングなし 曝気海水低 (鋼錆び、Ti 保護) 許容可能。鋼製タンクに必要な防食。
炭素鋼 傷（機械的損傷） 空気を含んだ海水 高（傷の部分で Ti が腐食） 鋼から Ti が電気的に絶縁される。ゴムワッシャーまたはナイロンワッシャーを使用してください。
炭素鋼 任意の脱気（酸素を含まない）-非常に高い（Ti 活性電気絶縁。Ti を均一に腐食させるには O2 は必要ありません。
無傷の炭素鋼 希酸 (pH 4 ～ 6) 中程度 (鋼はすぐに錆びます) 電気絶縁。鋼はすぐに壊れてしまいます。プラスチック容器を使用してください。
炭素鋼 損傷 (化学的攻撃) 希酸 非常に高い (Ti は断層部位で腐食しやすい) 直ちに隔離する必要がある。損傷したヒーターを交換する
ステンレス鋼 (不動態状態で陰極から Ti) 任意 任意 低から中程度 (Ti は若干陽極) 一般に OK。それほど深刻ではない逆結合。
電気的逆流に対する工学的な緩和策
チタンヒーターの表面に損傷があり、炭素鋼タンクで使用する場合は、電気的に絶縁する必要があります。取り付けフランジでは、ナイロンまたは PTFE ブッシュ、ゴム製ガスケット、非導電性パイプ ユニオンによってガルバニック回路が遮断されます。-ガルバニック電流は 1 µA 未満である必要があり、これは絶縁抵抗が 1 MΩ を超える必要があることを意味します。 2 番目の緩和策は、犠牲陽極 (亜鉛またはアルミニウム) をチタン ヒーターに取り付けることで、酸化物が損傷した場合でもチタンを陰極電位に保持します。チタンは溶解しません。犠牲陽極が溶解します。 3 番目の緩和策は、定期的な陽極不動態化です。短い陽極電位（週に 1 回、+0.5 V 対 SCE で 10 分間）を適用すると、傷がついた場所に新しい TiO₂ が成長して損傷した酸化物層が修復され、貴電位が回復し、ガルバニ対が鋼-陽極モードに戻ります。

結論: 酸化物の損傷によりガルバニック電流が逆転し、Ti の腐食が 100 ～ 1000 倍増加します。
酸化皮膜がそのままの状態でチタンヒーターを炭素鋼に電気的に接続すると、電流密度が 0.1 ～ 1.0 μA/cm2 になり、鋼が陽極として腐食します。酸化物が引っかき傷、摩耗、または化学的攻撃によって損傷すると、ガルバニック電流が逆転し、100 ～ 1,000 µA/cm2 の電流密度で損傷領域に集中します。逆ガルバニ対は、損傷箇所で年間 0.5-2 mm の速度でチタンを局所的に腐食し、数週間から数か月以内に 1.5 mm の壁のヒーターに穴が開きます。ヒーターの表面が損傷する可能性がある用途では、チタンと炭素鋼を電気的に分離することが必須です。チタンヒーターを炭素鋼タンクに取り付ける場合、電気的反転によるヒーターの早期故障を防ぐために、非導電性の取り付け金具と定期的な絶縁抵抗チェックが必要です。