Ao modernizar um tanque de aço carbono existente com aquecedores de imersão em titânio para ácido sulfúrico a 25% a 95 graus, como a configuração do conjunto de aquecedores deve evitar a corrosão por corrente parasita?

A compensação-fundamental da modernização do aquecedor de titânio para tanques de aço carbono
O uso de aquecedores de imersão de titânio no lugar de tanques convencionais de aço carbono cria um problema de compatibilidade galvânica. O tanque é utilizado com ácido sulfúrico a 25% a 95 o C. Assim, o mesmo eletrólito condutor fica em contato com ambos os materiais. O titânio é nobre (potencial de corrosão ca. +0.2 V vs. Ag/AgCl em ácido sulfúrico diluído) enquanto o aço carbono é ativo (ca. −0,4 V vs. Ag/AgCl). A parede do tanque está em contato direto com o titânio e o aço carbono e forma-se uma célula galvânica que causa corrosão mais rápida do aço carbono. Correntes parasitas provenientes de soldagem, sistemas de aterramento ou operações eletroquímicas próximas também podem se concentrar no conjunto de aquecedores de titânio. A configuração do conjunto de aquecedores-como os tubos de titânio individuais são empilhados, apoiados e isolados eletricamente-influencia diretamente a quantidade e a distribuição dessas correntes parasitas e galvânicas. A espessura da parede influencia a resistência ao ataque localizado quando as correntes estão concentradas, mas a resposta principal é o isolamento elétrico. Este trabalho especifica regras de configuração para evitar corrosão por correntes parasitas durante a modernização de tanques de aço carbono.

Efeito na integridade mecânica: mecanismos galvânicos e de correntes parasitas
Se um aquecedor de titânio for fixado diretamente no flange de um tanque de aço carbono, o hardware de montagem une eletricamente os dois metais. No contato de titânio-cátodo/aço carbono-anodo em 25% H 2 SO 4 a 95 graus, a densidade da corrente galvânica pode chegar a 50-200 µA/cm 2 . Essa corrente destruirá o aço carbono a uma taxa de 0,5 a 2,0 mm por ano, suficiente para perfurar uma parede de tanque de 6 mm em 3 a 12 anos. Mais importante ainda, correntes parasitas de fontes externas (por exemplo, retificadores de soldagem, sistemas de proteção catódica ou fontes de alimentação não aterradas) podem seguir um caminho de baixa resistência através do conjunto de aquecedores de titânio. As correntes parasitas concentram-se na superfície do titânio porque o titânio tem uma resistividade elétrica mais baixa (55 µΩ·cm) do que o aço carbono (15–20 µΩ·cm é realmente menor para o aço, mas o revestimento passivo do titânio funciona como um retificador). Isto resulta em corrosão localizada ou ranhuras em pontos onde o titânio toca os suportes do tanque ou onde os tubos do feixe se cruzam. A espessura da parede fornece uma tolerância à corrosão: a parede de titânio de 1,2 mm pode suportar corrosão por correntes parasitas de 0,2 mm por ano durante 6 anos. Uma parede de 2,0 mm pode durar 10 anos. Mas a parede do tanque de aço carbono (normalmente 6-10 mm) também está sujeita à corrosão, e a substituição do tanque é significativamente mais cara do que a substituição do aquecedor.

Efeito no desempenho térmico: espaçamento de feixes e distribuição de corrente
A configuração do feixe de aquecedores influencia a presente distribuição através do eletrólito. Tubos de titânio dispostos próximos (menos de 3 × diâmetro externo do tubo do centro-a-distância central) fornecem um canal de baixa resistência para correntes parasitas, concentrando a densidade de corrente no perímetro do feixe. 4 a 5 vezes o diâmetro externo) reduz o congestionamento de corrente e o ataque localizado. A consequência térmica de um espaçamento maior é uma maior pegada do feixe e possivelmente menor homogeneidade na transferência de calor, mas isso é aceitável para evitar a corrosão. O espaço físico e o isolamento elétrico são importantes, mas não a espessura da parede. Não tem efeito na distribuição atual.

Configuração de pacote para mitigação de correntes parasitas: síntese da compensação-
Função de configuração do pacoteRecomendação Corrente parasita Corrosão Impacto Desempenho térmico ImpactCore Engineering Reasoning
Passo do tubo (centro{0}}a-centro)4× diâmetro externo mínimo do tuboRedução de 50-70% na aglomeração de correnteNecessita maior abertura do tanqueA resistência elétrica através do eletrólito aumenta com o aumento da distância.
Montagem em flange do tanqueJuntas e luvas de PTFE ou PEEK isoladasElimina o contato galvânico > 90% de redução no caminho da corrente parasitaSem impacto O circuito galvânico é interrompido pelo isolamento elétrico.
Suporte interno do tubo do tanqueNão condutor (PTFE, cerâmico ou revestido)Evita ênfase nos pontos de suporte atuaisSem efeito Impede o contato de metal-com{1}}metal entre o titânio e o aço carbono.
Aterramento de pacote Aterramento de ponto único por meio de resistor de 10 ΩReduz acúmulo estático-e amplitude de corrente parasitaSem efeito O resistor limita o fluxo de corrente, mas o potencial não pode flutuar.
Espessura da parede (em regiões onde a corrente pode se concentrar)1,5 mm - 2.0 mm Tolerância à corrosão após falha do isolamento Leve penalidade térmica (superfície 1-2 graus mais alta) Parede mais espessa pode suportar corrosão localizada de correntes parasitas residuais.
Engenharia além do pacote de isolamento e monitoramento elétrico
A etapa mais importante do retrofit é fornecer isolamento elétrico entre o conjunto de aquecimento de titânio e o tanque de aço carbono. Gaxetas de PTFE (3 mm de espessura) no flange de montagem, em combinação com pinos revestidos-de PTFE ou luvas de isolamento, fornecem > 100 M? resistência a 500 V CC. Isso interrompe o circuito galvânico e desvia as correntes parasitas do titânio. Um resistor de aterramento (10-50 Ω) é conectado entre o conjunto do aquecedor e o terra do tanque. Isso evita o acúmulo de carga estática-e limita as correntes de falha. A tensão entre o feixe de titânio e a parede do tanque é verificada periodicamente (com um voltímetro de alta impedância) para detecção de degradação do isolamento. Se a tensão CC for superior a 0,5 V, existe a possibilidade de corrosão galvânica ativa ou por corrente parasita.

Conclusão: A principal defesa é o isolamento elétrico, não a espessura da parede
The titania immersion heaters for 25% sulphuric acid at 95°C were retrofitted to an existing carbon steel tank and electrical isolation of the titania from the carbon steel tank was required to prevent stray current and galvanic corrosion not increased titanium wall thickness. The suggested setup is PTFE isolation gaskets at all mounting locations, non-conductive tube supports (ceramic or PTFE), tube spacing of at least 4× OD, and single point grounding via a 10 Ω resistor. When properly isolated, the corrosion mechanism is uniform acid attack (0.02 – 0.05 mm per year) and a service life of 10+ years can be achieved with a conventional titanium wall thickness of 1.2 – 1.5 mm. Even a 3.0 mm titanium wall without insulation will not prevent the carbon steel tank against galvanic perforation. When specifying a retrofit heater bundle, expect documented electrical isolation testing (megger test at 500 V DC, >100 MΩ) e inclui um esquema de aterramento. O fabricante do aquecedor deverá incluir kits de isolamento com o conjunto e o instalador deverá verificar o isolamento antes de energizar o sistema.