90度で500 ppmの塩化物を含む50/50のエチレングリコール/水混合物中のチタン浸漬ヒーターは、均一な薄化よりも隙間腐食により早く故障するのはなぜですか?

エチレングリコール/水の組み合わせ (50/50 vol%) は、太陽熱システム、HVAC、エンジン冷却の熱伝達流体としてよく使用されます。 90 度では、劣化したグリコールまたは補給水からの 500 ppm の塩化物がチタンに有害です。チタンはこの混合物中での均一な腐食に対して非常に耐性があり、腐食速度は年間 0.02 mm 未満ですが、故障の主な原因はチューブ サポート、フランジ、ガスケットの隙間腐食です。隙間の形状により、塩化物濃度が増加し、酸素濃度が低下しますが、グリコールの分解生成物 (グリコール酸、ギ酸) によって局所の pH が低下します。隙間腐食の進行速度は 0.3 ～ 1.0 mm/ 年で、均一な薄化よりも 15 ～ 50 倍速くなります。破損は非常に限定的であり、チューブ表面の 95% が無傷のまま残されたまま穿孔が発生します。

グリコール/水混合物における隙間支配のメカニズム

バルク溶液では、エチレングリコールにより粘度が増加し、酸素の拡散が減少します。不動態皮膜の安定性は、十分な酸素と適度な塩化物濃度によって保証されます。隙間（たとえば、PTFE サポートの下またはガスケット）では、酸素は陰極プロセスによってすぐに枯渇し、供給されません。塩化物は隙間に拡散して電気的中性を維持し、2,000 ～ 10,000 ppm のレベルに達します。グリコールは90度で熱分解して有機酸（グリコール酸、ギ酸、シュウ酸）になります。これらの酸は、隙間の局所的な pH を 3 ～ 4 に下げます。塩化物、低 pH、酸素欠乏により不動態皮膜が劣化します。隙間陽極での腐食は、管表面の残りの部分の大きな外部陰極によって引き起こされ、活発に進行します。隙間 (陽極) と外側 (陰極) の間のガルバニック電流が維持される場合、溶解速度は顕著になります。最終的には穴あきが発生します。

均一腐食速度と隙間腐食速度の定量的比較

500 ppm 塩化物を含む 50/50 エチレングリコール/水 (pH 6.5 から開始) 中で 90 度、2,000 時間の制御されたテストでは、根本的に異なる腐食速度が明らかになりました。亀裂のない滑らかな管の全体腐食速度は、わずか 0.008 ～ 0.015 mm/ 年です。表面は光沢があり、孔食がなく、安定した不動態皮膜であることがわかります。この速度では、壁厚 1.2 mm で 50 年以上の耐用年数が得られます。ただし、隙間隙間が 0.2 mm の PTFE サポートの下では、隙間腐食速度は最大 0.30 ～ 0.70 mm/年でした。開始段階は 200 ～ 500 時間続き、1,000 時間以内に深さ 0.3 ～ 0.6 mm の溝が形成されます。隙間が 0.1 mm のゴム製ガスケットの場合、隙間腐食速度は 0.50 ～ 1.00 mm/年に増加し、100 ～ 300 時間で始まり、1200 ～ 2400 時間で 1.2 mm の壁に穴が開きます。管と管板の圧延接合部では、隙間腐食の速度は年間 0.20 ～ 0.50 mm で、300 ～ 800 時間で始まります。

塩素とグリコールの分解が隙間の重症度に及ぼす影響

隙間攻撃の重症度は、グリコールの状態と塩化物濃度に強く影響されます。塩化物 100 ppm の新鮮なグリコール (抑制剤を含む) では、500 時間後に隙間の pH が 5.5 になり、腐食速度は年間 0.10 ～ 0.25 mm になります。 500 ppm の塩化物を含む阻害されていない新鮮なグリコールは、年間 0.30 ～ 0.60 mm の速度で pH 4.5 まで低下します。 500 ppm の塩化物を含むグリコールを熱分解すると (90 度で 500 時間)、pH 3.5 になります。速度は0.60〜1.00mm/年です。 1,000 ppm の塩化物を含む 1,000 ppm 以上の有機酸を含む重度に劣化したグリコール、pH 3.0、隙間腐食速度 1.00 ～ 1.80 mm/年。これらの条件下では、均一腐食速度は 0.025 mm/ 年未満であり、隙間腐食が主な破損メカニズムであることを示しています。

グリコール・給湯器隙間腐食防止対策

以下の表は、ヒーターの構成と隙間のリスク評価に基づいて、90 度でエチレングリコールと水の組み合わせで隙間腐食を軽減するためのガイドラインを示しています。

隙間ハザードヒーターの配置提案された設計変更予想される隙間腐食速度 (mm/年)
PTFEチューブスペーサー（0.2～0.5mm間隔）高チタン溶接サポート交換用<0.02
ゴム製ガスケット付きフランジ非常に高い溶接またはろう付けコネクタを使用<0.02
チューブシート内のローラー拡張チューブ 中程度 拡張後のチューブ-と-の溶接 0.05 ～ 0.10
高圧縮フィッティングを排除します。溶接継手を使用する<0.02
既存の隙間を再設計する 再設計できない 中程度 PTFE テープを使用して隙間を補修する 0.15 ～ 0.30
クラック除去以上のエンジニアリング

耐隙間腐食性はチタンのグレードに大きく影響されます。グレード 7 (パラジウム安定化) は、グリコール/水の隙間においてグレード 2 よりも開始時間が 3-5 倍長く、伝播速度が 50{14}}70% 低いです。肉厚には材料の余裕が与えられます。年間 0.5 mm の隙間腐食を伴う 2.0 mm の壁は 4 年間持続しますが、1.2 mm の壁はわずか 2.4 年しか持続しません。グリコール阻害剤パッケージは重要です。亜硝酸塩ベースの抑制剤はチタンの隙間腐食を促進しますが、モリブデン酸塩またはアゾールベースの抑制剤は無害です。 pH、塩化物、有機酸濃度を測定するための定期的なグリコールサンプルにより、予知保全が可能になります。モノエタノールアミンを添加してグリコールの pH を 8.0 以上に保つと、隙間の攻撃が大幅に減少します。

洞察力に基づいた仕様の作成

90℃で500 ppmの塩化物を含む50/50のエチレングリコール/水用のチタン浸漬ヒーターを設計します。隙間のないように-: 溶接チューブ サポート、溶接フランジ、およびチューブシート接合部-と-溶接チューブを使用します。亀裂が除去されない場合は、グレード 7 のチタンを使用し、ボアスコープまたは染料浸透剤を使用して四半期ごとにすべての亀裂部位をチェックします。すでに使用されているヒーターで隙間腐食が発生している場合は、PTFE テープまたはシリコン シーラントで再取り付けして隙間を覆い、腐食防止剤としてモリブデン酸ナトリウムをグリコールに 200 ppm で追加します。動作中にグリコールの pH が 6.0 未満に低下していないか確認します。 pH の低下が見つかった場合は、すぐにグリコールのチャージを変更してください。隙間腐食は、均一な薄化よりも 15 ～ 50 倍の速さでヒーターの故障を引き起こす可能性があります。このことを知っているエンジニアは、エチレングリコール/水道サービスにおける材料グレードの選択よりも隙間の削減を重視します。