上流の炭素鋼からの錆粒子の存在が、塩水中でのチタン ヒーターのエンド キャップの電解腐食を大幅に加速させるのはなぜですか?

チタン浸漬ヒーターは通常、上流の炭素鋼配管、タンク、または熱交換器を備えたブラインシステムで使用されます。塩水中では、炭素鋼は自然腐食を受け、主に酸化鉄 (Fe2O3、Fe3O4) やオキシ水酸化物である錆粒子が生成されます。これらの粒子はブラインの流れに乗って輸送され、最終的にはチタン ヒーターのエンド キャップなどのシステム内の表面に堆積します。エンドキャップは通常、加熱管の端にある溶接されたクロージャであり、多くの場合、同じグレードのチタンで作られていますが、表面仕上げは異なります。電解質 (塩水) 中では、チタン上に堆積した錆粒子がガルバニ電池を形成します。塩化物溶液では、錆はチタンよりも電気化学的に貴であり、静止電位は 200 ～ 400 mV プラスです。その結果、各錆粒子の周囲のチタンが急速に局所的に腐食し、その結果、エンドキャップに孔食が発生し、最終的には穴が開きます。

錆による電解腐食の電気化学的メカニズム

3 ～ 5% NaCl 塩水中のチタンは、TiO2 層により、Ag/AgCl に対しておよそ +0.1 ～ +0.3 V の不動態電位を持ちます。さび粒子、特にマグネタイト (Fe3O4) は半導電性で、Ag/AgCl に対して +0.5 ～ +0.7 V の混合電位を持ちます。その後、錆粒子がチタン表面に衝突すると、回路は電解液によって閉じられます。さび粒子は陰極として機能し、そこで酸素還元が起こります: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ 粒子のすぐ隣のチタンは陽極として機能し、Ti⁴⁺ として溶解します。陽極領域は非常に限定されており、多くの場合、錆の堆積物から 1 ～ 2 粒子の直径以内にあります。チタンを年間 1 ～ 5 mm の速度で溶解するには、アノードでの電流密度が 1 ～ 5 mA/cm2 にもなることがあります。エンドキャップは表面仕上げが（溶接チューブか酸洗いチューブかなど）変化することが多く、溶接止端部に亀裂が入っている可能性があり、そこに錆の粒子が集まる可能性があるため、特に影響を受けやすいです。

錆粒子による腐食速度の加速の定量化

制御された試験設定の下、50 度の 5% NaCl 塩水中でのグレード 2 チタン エンド キャップ クーポンの腐食率は、以下の錆粒子の状態について測定されました。

きれいな塩水、錆び粒子なし: 受動的電流密度 0.05 ～ 0.10 µA/cm2。腐食速度は0.01mm/年未満。エンドキャップは 5,000 時間経ってもまだ輝きがあり、腐食もありません。-

錆粒子を 10 ppm で適用し、継続的に流す: 腐食速度は年間 0.08 ～ 0.15 mm。 1000 時間後に粒子接触位置に局所的な孔食が発生し、孔の深さは 20 ～ 50 μm になります。

錆粒子は、50 ppm で流動腐食速度を 0.3 ～ 0.6 mm/年に増加させました。 1000 時間後のピット深さは 100 ～ 200 µm。エンドキャップには粒子の堆積物の周囲に明らかな変色があります。

200 ppm の錆粒子を追加、流動: 腐食速度 1.0 ～ 2.0 mm/年 1000 時間後のピットの深さは 300 ～ 600 μm の範囲にあります。 1.0 mm 壁のエンドキャップ穿孔 500 ～ 1,000 時間。

水平エンドキャップ上の錆粒子の沈降（停滞した堆積物） 局部腐食速度 > 5 mm/年。 1.2 mm の標準エンド キャップの穴あけは 3 ～ 6 か月で完了します。深いピッチングが溶接熱影響部に浸透します。

錆粒子への暴露に対するエンドキャップの保護戦略

次の表は、上流の炭素鋼の腐食とブラインの流れの状況下でのチタン ヒーター エンド キャップの保護に関する決定ツリーを示しています。

上流の炭素鋼の状態とブラインの流れの推奨エンドキャップ保護戦略図 2. 基本的な理論的根拠とガルバニック腐食の軽減
New carbon steel with less corrosion and high flow (>1 m/s)標準、滑らかな溶接仕上げ、グレード 2 エンドキャップ流れにより粒子の沈降が抑制されます。耐用年数 3 ～ 5 年の許容リスク
軽度の腐食 (50 ～ 100 ppm) を備えた時効炭素鋼、断続流 PTFE コーティング付きエンド キャップ (厚さ 0.5 mm) コーティングはチタンを錆粒子から電気的に絶縁します。 2年に一度のコーティング。
Heavy corrosion upstream (>200 ppm)、低流量/停滞ゾーン-セルフクリーニング傾斜 (最小 45 度) を備えたエンド キャップ設計。傾斜したエンド キャップは粒子の蓄積を防ぎます。-水平なものは何もありません。上流側にストレーナを設置して錆粒子を捕捉します。
エンドキャップに錆の堆積が見られる既存のヒーター。すぐに 5% クエン酸で拭き、犠牲亜鉛陽極を取り付けます。亜鉛陽極 (10 g) をエンドキャップに適用すると、ガルバニックペアが反転します。毎年のアノード交換。
ヒーターの故障が許容できない重要なサービス 電解研磨仕上げのグレード 7 チタン エンド キャップ パラジウムの含有によりチタンの潜在能力が向上し、電気腐食の推進力が低減されます。最大限の信頼性。
エンドキャップ保護を超えたエンジニアリング

二次防御はエンド キャップの壁の厚さです。エンド キャップが大きくなると (2.0 mm 対 1.2 mm)、穿孔までの時間が長くなりますが、腐食速度は低下しません。エンド キャップの形状はより重要で、ドーム型または円錐形のエンド キャップは粒子を排出し、平坦なエンド キャップは堆積物を収集します。チューブとエンドキャップの間の溶接は滑らかで、粒子が閉じ込められる可能性のある亀裂があってはなりません。上流でフィルタリングして 50 µm を超える錆粒子を除去すると、エンドキャップの寿命を 5 ～ 10 倍延ばすことができます。マグネタイトはフェリ磁性です。したがって、ヒーターの上流のブラインライン内の磁気トラップがマグネタイト粒子を選択的に抽出します。

情報に基づいた仕様の作成

炭素鋼コンポーネントの下流でブラインサービス用のチタンヒーターを設計する場合は、上流の粒子濾過 (公称 50 μm) または磁気分離器の要件を含めてください。平らなエンド キャップの代わりに、ドーム型または円錐形のエンド キャップを選択します。既存の設置: ボアスコープを使用して四半期ごとにエンドキャップを検査します。錆-色の堆積物がある場合は、弱酸（5% クエン酸または 10% 酢酸）で素早く洗浄し、超音波膜厚計で孔食の深さを確認してください。錆びが激しい状況での新規設置の場合は、エンド キャップを含むヒーター全体にグレード 7 チタンを指定し、チタン ワイヤでエンド キャップに取り付けられた犠牲亜鉛陽極を追加します。亜鉛アノードはチタンをより大きな負の電位に分極し、錆粒子によるガルバニック駆動力を排除します。エンジニアは、錆び粒子による汚染の問題をシステム レベルで解決することで、耐腐食性のあるチタン ヒーターの早期エンドキャップ破損の原因となる、急速で高度に局所的な腐食を回避します。-