Para la adaptación de un calentador de haz de tubos de titanio a un tanque de acero al carbono que contiene un 10 % de clorito de sodio a 60 grados, ¿cuál es la resistencia mínima de aislamiento eléctrico necesaria para evitar la absorción galvánica de hidrógeno?

El clorito de sodio (NaClO2), 10 % a 60 grados es una solución oxidante utilizada en el blanqueo y el tratamiento del agua. Cuando se instala un calentador de haz de tubos de titanio en un tanque de acero al carbono existente, se crea un par galvánico dado que el titanio es más noble que el acero al carbono. El acero al carbono es el ánodo y está corroído, y el titanio es el cátodo. Con potenciales suficientemente negativos, se produce una reducción de oxígeno y un desprendimiento de hidrógeno en el cátodo del titanio. El hidrógeno generado puede ser absorbido por el titanio y provocar fragilidad. El calentador de titanio está eléctricamente aislado del tanque de acero al carbono, rompiendo así el circuito galvánico. La resistencia de aislamiento eléctrico mínima necesaria para evitar que la corriente galvánica supere el umbral de absorción de hidrógeno (aproximadamente 0,1 mA/cm^2 en la superficie de titanio) es 1 megaohmio (1.000.000 ohmios).

Mecanismo de absorción galvánica de hidrógeno sobre titanio en electrolitos de clorito.

When titanium is galvanically coupled to carbon steel in sodium chlorite solution, its surface potential is shifted to more negative values by cathodic polarization. Hydrogen evolution occurs at potentials more negative than around -0.7 V versus a silver-silver chloride reference electrode by the reaction 2H2O + 2e- ->H2 + 2OH-. El hidrógeno atómico se crea en la superficie del titanio y podría filtrarse en el metal. A densidades de corriente > 0,1-0,2 mA/cm2, la tasa de absorción de hidrógeno es lo suficientemente alta como para fragilizar el material con el tiempo. El aislamiento eléctrico proporciona una ruta de alta resistencia en el circuito para reducir la corriente galvánica a límites seguros. La resistencia de aislamiento necesaria se determina a partir de la diferencia de potencial galvánico y la corriente admisible.

Correlación cuantitativa entre la absorción de hidrógeno y la resistencia del aislamiento

Para un calentador de haz de tubos de titanio estándar (área de superficie 1 m2) y un tanque de acero al carbono (área de superficie 10 m2) en clorito de sodio al 10% a 60 grados C, la diferencia de potencial galvánico es de aproximadamente 0,6 V. La corriente galvánica se calcula como Igalv=ΔV / Risolación. i_Ti es la densidad de corriente en el titanio, igual a I_galv dividido por el área de la superficie del titanio. En ausencia de aislamiento (R_isolation=0 Ω; solo se considera la resistencia de la solución de ~10 Ω), la corriente galvánica es ~60 mA e i_Ti es 0,06 mA/cm², que está por debajo del umbral de absorción de hidrógeno, pero es límite y varía con la geometría. Con R_isolation=10,000 ohmios, I_galv es aproximadamente 0,06 mA e i_Ti es 0,00006 mA/cm² o 0,06 µA/cm², lo cual es seguro. Para R_isolation=100,000 ohmios (0,1 MΩ), I_galv es aproximadamente 0,006 mA e i_Ti=0.006 µA/cm 2, lo que ofrece un gran margen de seguridad. Si R_isolation=1,000.000 ohmios (1 MΩ), I_galv es aproximadamente 0,6 µA e i_Ti es 0,0006 µA/cm 2, lo cual es insignificante y es la especificación estándar. El aislamiento está sobre-especificado (pero está bien) con R_isolation=10,000,000 ohmios (10 MΩ).

Influencia de la concentración y la temperatura del clorito de sodio en la resistencia de aislamiento requerida

La resistencia de aislamiento mínima necesaria depende de la concentración de clorito de sodio y de la temperatura de funcionamiento, ya que éstas influyen en la diferencia de potencial galvánico. La diferencia de potencial galvánico es de 0,4 V al 5 % de NaClO2 y 40 grados y la resistencia de aislamiento mínima para i_Ti<0.1 mA/cm2 is 0.5 MΩ. At 10% NaClO2 and 60°C the potential difference is 0.6 V and the minimum resistance is 1.0 MΩ. The potential difference is 0.7 V and the minimum resistance is 1.2 MΩ at 15% NaClO2 and 60°C. For 10% NaClO2 , potential difference is 0.8 V at 80oC . Minimum resistance 1.5 MΩ . At 20% NaClO₂, the potential difference is 0.9 V and the minimum resistance is 2.0 MΩ at 80°C.

Guía de especificación y verificación para la resistencia al aislamiento del servicio de clorito

La siguiente tabla muestra las formas de lograr la resistencia mínima de aislamiento y los procedimientos de verificación durante la instalación y la inspección periódica.

Método de aislamiento Resistencia esperada (MΩ) Verificación durante la instalación Verificación periódica (cada 6 meses)
PTFE gasket (3 mm) + PTFE bolt sleeves 10–100 Megohmmeter (500V) between heater and tank >1 MΩ PTFE gasket + ceramic-coated bolts 5–50 Megohmmeter (500V) >1 MΩ
Dielectric break coupling (PTFE spool) >100 Megohmmeter (500V) >10 MOA
Junta de goma únicamente (no recomendada) 0,1–1 Megóhmetro no estable (250 V)
Contacto directo (sin aislamiento)<0.001 Continuity test (beep) Not applicable
Diseño de resistencia de aislamiento y selección de materiales más allá

La resistencia de aislamiento requerida es independiente del grado de titanio, porque el comportamiento galvánico del Grado 2 y del Grado 7 es similar. El espesor de la pared proporciona un margen de absorción de hidrógeno; una pared de 2,0 mm se fragiliza a la mitad que una pared de 1,0 mm con la misma tasa de absorción. Si no es posible el aislamiento, el tanque de acero al carbono debe protegerse catódicamente. Esto puede dar lugar a más potenciales negativos y, por tanto, a una mayor absorción de hidrógeno en el titanio. La técnica óptima es instalar un tanque de titanio o un tanque revestido de plástico-para eliminar el acoplamiento galvánico por completo. La resistencia de aislamiento debe comprobarse ocasionalmente, es decir, cada 6 meses, ya que las juntas pueden deslizarse y los sujetadores pueden aflojarse, lo que disminuye la resistencia con el tiempo.

Especificación informada

Para un calentador de haz de tubos de titanio adaptado a un tanque de acero al carbono que contiene 10 % de clorito de sodio a 60 grados, se requiere aislamiento eléctrico con una resistencia mínima de 1 MΩ, medida entre el calentador y el tanque usando un megaóhmetro de 500 V. Todo el hardware de montaje debe utilizar juntas de PTFE con un espesor mínimo de 3 mm y arandelas y casquillos de perno de PTFE. Instalaciones existentes: Mida la resistencia de aislamiento antes de ponerlas en servicio. Si la resistencia es inferior a 1 MΩ, agregue acoplamientos de rotura dieléctrica o reemplace las juntas. Durante el funcionamiento, vuelva a-medir la resistencia cada 6 meses; si la resistencia disminuye por debajo de 0,5 MΩ, inspeccione y repare los componentes de aislamiento. No utilice protección catódica en lugar de aislamiento, ya que aumentará el riesgo de absorción de hidrógeno en el titanio. El ingeniero previene la fragilización galvánica por hidrógeno de los calentadores de titanio en servicio de clorito de sodio manteniendo la resistencia de aislamiento eléctrico por encima de 1 MΩ.