Al modernizar un tanque de acero al carbono existente con calentadores de inmersión de titanio para ácido sulfúrico al 25 % a 95 grados, ¿cómo debe la configuración del paquete de calentadores evitar la corrosión por corrientes parásitas?

La compensación fundamental-de la modernización de calentadores de titanio por tanques de acero al carbono
El uso de calentadores de inmersión de titanio en lugar de tanques convencionales de acero al carbono crea un problema de compatibilidad galvánica. El tanque se utiliza con ácido sulfúrico al 25 % a 95 o C. De esta manera el mismo electrolito conductor está en contacto con ambos materiales. El titanio es noble (potencial de corrosión ca. +0.2 V frente a Ag/AgCl en ácido sulfúrico diluido), mientras que el acero al carbono es activo (aprox. −0,4 V frente a Ag/AgCl). La pared del tanque está en contacto directo con el titanio y el acero al carbono y se forma una celda galvánica que provoca una corrosión más rápida del acero al carbono. La corriente parásita de la soldadura, los sistemas de puesta a tierra o las operaciones electroquímicas cercanas también pueden concentrarse en el haz de calentadores de titanio. La configuración del haz de calentadores-cómo se apilan, soportan y aíslan eléctricamente los tubos de titanio individuales-influye directamente en la cantidad y distribución de estas corrientes parásitas y galvánicas. El espesor de la pared influye en la resistencia al ataque localizado cuando las corrientes están concentradas, pero la respuesta principal es el aislamiento eléctrico. Este trabajo especifica reglas de configuración para prevenir la corrosión por corrientes parásitas al modernizar tanques de acero al carbono.

Efecto sobre la integridad mecánica: mecanismos galvánicos y de corriente parásita
Si un calentador de titanio se fija directamente a una brida del tanque de acero al carbono, el hardware de montaje une eléctricamente los dos metales. En el contacto de titanio-cátodo/acero al carbono-ánodo en 25% H 2 SO 4 a 95 grados, la densidad de corriente galvánica puede ser tan alta como 50-200 µA/cm 2 . Esta corriente destruirá el acero al carbono a una velocidad de 0,5 a 2,0 mm por año, suficiente para perforar una pared de tanque de 6 mm en 3 a 12 años. Más importante aún, las corrientes parásitas de fuentes externas (p. ej., rectificadores de soldadura, sistemas de protección catódica o fuentes de alimentación sin conexión a tierra) pueden seguir un camino de baja resistencia a través del haz calentador de titanio. Las corrientes parásitas se concentran en la superficie del titanio porque el titanio tiene una resistividad eléctrica más baja (55 µΩ·cm) que el acero al carbono (15-20 µΩ·cm es realmente menor para el acero, pero el recubrimiento pasivo del titanio funciona como rectificador). Esto da como resultado picaduras o ranuras localizadas en los puntos donde el titanio toca los soportes del tanque o donde se cruzan los tubos del haz. El espesor de la pared proporciona un margen de corrosión: la pared de titanio de 1,2 mm puede soportar picaduras de corrientes parásitas de 0,2 mm por año durante 6 años. Una pared de 2,0 mm puede durar 10 años. Pero la pared del tanque de acero al carbono (normalmente de 6 a 10 mm) también está sujeta a corrosión, y el reemplazo del tanque es significativamente más costoso que el reemplazo del calentador.

Efecto sobre el rendimiento térmico: espaciado de paquetes y distribución de corriente
La configuración del haz de calentadores influye en la distribución actual a través del electrolito. Los tubos de titanio dispuestos estrechamente (menos de 3 veces la distancia entre el centro y el diámetro exterior del tubo-a-centro) proporcionan un canal de baja resistencia para las corrientes parásitas, concentrando la densidad de corriente en el perímetro del haz (. 4 a 5 veces el diámetro exterior) reduce la congestión actual y el ataque localizado. La consecuencia térmica de un espaciado más amplio es una mayor huella del haz y posiblemente una menor homogeneidad de transferencia de calor, pero esto es aceptable para evitar la corrosión. El espacio físico y el aislamiento eléctrico son importantes, pero no el espesor de la pared. No tiene ningún efecto sobre la distribución actual.

Configuración de paquetes para la mitigación de corrientes parásitas: síntesis de la compensación-
Configuración del paquete FunciónRecomendación Corriente parásita Impacto de la corrosión Impacto en el rendimiento térmico Razonamiento de ingeniería central
Paso del tubo (de centro-a-centro) 4 veces el diámetro exterior mínimo del tubo. Reducción del 50 al 70 % en el hacinamiento actual. Necesita una apertura del tanque más grande. La resistencia eléctrica a través del electrolito aumenta al aumentar la distancia.
Montaje en brida del tanqueJuntas y manguitos de PTFE o PEEK aislados Elimina el contacto galvánico > 90 % de reducción en la ruta de corriente parásita Sin impacto El circuito galvánico se interrumpe mediante el aislamiento eléctrico.
Soporte interior para el tubo del tanqueNo conductor (PTFE, cerámico o recubierto)Evita el énfasis en los puntos de soporte actualesSin efecto Previene el contacto metal-con-metal entre el titanio y el acero al carbono.
Conexión a tierra combinada Conexión a tierra de un solo punto-a través de una resistencia de 10 Ω Reduce la acumulación de estática-y la amplitud de la corriente parásita Sin efecto La resistencia limita el flujo de corriente, pero el potencial no puede flotar.
Espesor de la pared (en regiones donde la corriente puede concentrarse) 1,5 mm - 2.0 mm Margen de corrosión en caso de falla del aislamiento. Ligera penalización térmica (superficie 1-2 grados más alta) La pared más gruesa puede soportar picaduras localizadas causadas por corrientes parásitas residuales.
Ingeniería más allá del paquete Aislamiento y monitoreo eléctrico
La etapa más importante de la modernización es proporcionar aislamiento eléctrico entre el haz calentador de titanio y el tanque de acero al carbono. Las juntas de PTFE (3 mm de espesor) en la brida de montaje, en combinación con pernos recubiertos de PTFE-o manguitos de aislamiento, dan > 100 M? Resistencia a 500 V CC. Esto rompe el circuito galvánico y desvía las corrientes parásitas del titanio. Se conecta una resistencia de conexión a tierra (10-50 Ω) entre el haz de calentador y la tierra del tanque. Esto evita la acumulación de carga estática-y limita las corrientes de falla. El voltaje entre el haz de titanio y la pared del tanque se verifica periódicamente (con un voltímetro de alta impedancia) para detectar degradación del aislamiento. Si la tensión CC es superior a 0,5 V, existe la posibilidad de corrosión galvánica activa o por corrientes parásitas.

Conclusión: la principal defensa es el aislamiento eléctrico, no el espesor de la pared.
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 incluyen un esquema de puesta a tierra. El fabricante del calentador deberá incluir kits de aislamiento con el paquete y el instalador deberá verificar el aislamiento antes de energizar el sistema.