Các ống sưởi điện lắp đặt trong bể chứa nước nóng thường được gắn qua mặt bích bằng thép carbon hoặc được đỡ bằng các giá đỡ bằng thép carbon hàn vào thành bể. Khi vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 tiếp xúc với cấu trúc thép cacbon thông qua đường dẫn điện – chẳng hạn như giá đỡ bằng kim loại, kết nối ren hoặc thậm chí qua cầu cân dẫn điện – tế bào ăn mòn điện sẽ hình thành. Thép không gỉ 316 đóng vai trò là cực âm (cao quý) và thép cacbon làm cực dương (hoạt động). Trong các hệ thống không liên kết thiếu cách ly điện môi hoặc bảo vệ catốt, thành phần thép cacbon bị ăn mòn với tốc độ nhanh. Tuy nhiên, dữ liệu sự cố tại hiện trường từ các máy nước nóng thương mại cho thấy một phát hiện ít trực quan hơn: dòng điện cũng làm hỏng vỏ bọc bằng thép không gỉ 316, đặc biệt là ở các vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt mối hàn. Dòng catốt chạy từ bề mặt 316 đến thép carbon thông qua chất điện phân sẽ chuyển điện thế 316 sang vùng hoạt động mạnh hơn, nơi màng thụ động trở nên không ổn định, dẫn đến tăng tốc độ ăn mòn rỗ và kẽ hở ở các chân mối hàn và HAZ nhạy cảm. Cơ chế phản trực giác này – sự phân cực catốt gây ra sự ăn mòn của vật liệu danh nghĩa là cao quý – xảy ra do cặp điện di đẩy bề mặt 316 vào vùng chuyển tiếp thụ động chủ động. Bài viết này định lượng mật độ dòng điện và tốc độ ăn mòn của các cặp thép carbon 316 trong nước nóng và cung cấp các thông số kỹ thuật thiết kế để ngăn chặn sự lãng phí thép carbon và sự tấn công của mối hàn 316.
Hiện tượng đảo ngược cặp điện cực trong nước nóng, thấp-clorua
Chuỗi điện hóa thông thường trong nước biển có nhiệt độ-môi trường xung quanh đặt thép không gỉ 316 ở mức cao (ca-tốt) so với thép cacbon, với hiệu điện thế khoảng 300–400 mV. Thép carbon ăn mòn hy sinh, bảo vệ thép không gỉ. Điều này vẫn đúng ở vùng nước lạnh, dẫn điện. Tuy nhiên, trong nước nóng (60–80 độ ) có độ dẫn điện từ trung bình đến thấp (500–3000 µS/cm), hành vi điện hóa sẽ thay đổi. Màng thụ động bằng thép không gỉ 316, ổn định ở nhiệt độ môi trường, trở nên kém bảo vệ hơn ở nhiệt độ cao, đặc biệt khi có dấu vết clorua (20–100 ppm điển hình của nước thành phố). Điện thế mạch hở của 316 trong nước máy 80 độ thay đổi về mặt catốt khoảng 150–250 mV so với giá trị nhiệt độ phòng, đưa nó đến gần hơn với khả năng ăn mòn của thép cacbon.
Khi được ghép nối về mặt điện, thế năng hỗn hợp của cặp thép carbon 316{2}}nằm ở giá trị trong đó 316 không hoàn toàn thụ động mà nằm trong vùng chuyển tiếp thụ động{21}hoạt động. Trong phạm vi tiềm năng này, bề mặt 316 trải qua quá trình phân hủy và tái tạo màng định kỳ, dẫn đến ăn mòn cục bộ tại các vị trí yếu nhất – điển hình là mối hàn HAZ, nơi sự suy giảm crom và tập trung ứng suất dư tấn công. Quét điện thế 316 trong nước máy 80 độ (80 ppm Cl⁻, 200 µS/cm) hiển thị vùng thụ động từ -200 đến +150 mV so với SCE, đỉnh hoạt động ở khoảng -100 mV và phân tích xuyên qua trên +150 mV. Thế năng hỗn hợp của cặp thép cacbon 316 (tỷ lệ diện tích 1:10, nghĩa là cực dương bằng thép cacbon lớn hơn mười lần so với cực âm 316) ổn định ở mức -50 đến +50 mV – hoàn toàn trong quá trình chuyển đổi chủ động-thụ động trong đó màng thụ động không ổn định.
Dòng điện được định lượng và tốc độ ăn mòn trong bể chứa nước nóng mô phỏng
Các thí nghiệm ghép điện có kiểm soát đã được tiến hành bằng cách sử dụng 316 mẫu vỏ thép không gỉ (đường kính 12 mm, thành 1,2 mm, bao gồm các mối hàn TIG tự sinh) và các tấm thép cacbon (A36, đại diện cho vật liệu thành bể). Chất điện phân là nước máy tổng hợp (80 ppm Cl⁻, 120 ppm SO₄²⁻, 150 ppm Ca²⁺, pH 7,2, độ dẫn điện 350 µS/cm) ở 75 độ. Tỷ lệ diện tích của thép cacbon so với 316 thay đổi từ 1:1 đến 20:1, thể hiện các cấu hình diện tích bề mặt bề mặt bể-đến{18}}bể chứa khác nhau. Ampe kế có điện trở bằng 0{20}}đã đo dòng điện và các mẫu được kiểm tra sau 1000 giờ để phát hiện hư hỏng do ăn mòn.
| Tỷ lệ diện tích (Thép cacbon:316) | Mật độ dòng điện trên 316 (µA/cm²) | Tiềm năng hỗn hợp (mV so với SCE) | Tốc độ ăn mòn thép cacbon (mm/năm) | 316 Độ sâu rỗ mối hàn HAZ sau 1000 giờ (µm) | Chế độ sát thương 316 |
|---|---|---|---|---|---|
| Không có khớp nối (cách ly) | 0 | -180 (riêng 316) | 0,05 (nền) | 5 | Không có |
| 1:1 | 12 | -20 | 0.35 | 15 | Khắc nhẹ ở mối hàn |
| 5:1 | 28 | +10 | 0.85 | 45 | Các hố tại HAZ, nhiều địa điểm |
| 10:1 | 35 | +30 | 1.20 | 85 | Rỗ nghiêm trọng, thành giảm tới 1,0 mm |
| 20:1 | 38 | +45 | 1.40 | 120 | Gần{0}}có lỗ thủng, mối hàn bị tấn công trên diện rộng |
| 10:1 với cách ly điện môi (ống lót nylon) | 2 | -160 | 0.08 | 8 | Không có cuộc tấn công đáng kể |
Tỷ lệ diện tích 20:1 (điển hình của một lò sưởi đơn trong bình nước nóng lớn trong gia đình) tạo ra mật độ dòng điện là 38 µA/cm2 trên bề mặt 316. Mặc dù nhỏ nhưng dòng điện này đủ để chuyển điện thế 316 từ giá trị cô lập -180 mV sang +45 mV – sự chuyển dịch 225 mV sang chuyển đổi chủ động-thụ động. Thép carbon bị ăn mòn với tốc độ 1,4 mm/năm, có thể đục thủng thành bể 6 mm trong khoảng 4 năm. Quan trọng hơn đối với tuổi thọ của lò sưởi, mối hàn HAZ 316 đã phát triển các vết rỗ có độ sâu trung bình 120 µm chỉ sau 1000 giờ, với một số vết rỗ xuyên qua thành 1,2 mm đến 80%.
Độ nhạy của HAZ hàn 316 đối với phân cực điện trong nước nóng
Vùng chịu ảnh hưởng nhiệt-của mối hàn được chứng minh là vị trí dễ bị tổn thương nhất trên vỏ bọc 316 do ăn mòn do điện hóa. Sự nhạy cảm này phát sinh từ ba yếu tố. Đầu tiên, HAZ chứa các vùng nghèo crom-(thấp tới 12–13% Cr) do kết tủa cacbua trong quá trình hàn, ngay cả trong thép 316L có hàm lượng cacbon thấp. Thứ hai, hình dạng chân mối hàn tạo ra tình trạng giống như kẽ hở-tại đó phần gia cố mối hàn gặp kim loại cơ bản. Thứ ba, ứng suất kéo dư do hàn tập trung ở vùng HAZ. Dưới sự phân cực điện, các yếu tố này kết hợp với nhau để tạo ra sự tấn công cục bộ ở mật độ dòng điện cao hơn 5–10 lần so với kim loại cơ bản.
Các phép đo vi điện cực phân bố dòng điện dọc theo mẫu vỏ bọc 316 được hàn ghép với thép cacbon (tỷ lệ diện tích 10:1) cho thấy:
Kim loại cơ bản (cách xa mối hàn): 28 µA/cm2, đồng đều
HAZ (trong vòng 2 mm của đường nhiệt hạch): 110–180 µA/cm², cục bộ
Kim loại mối hàn: 45 µA/cm2, đồng đều
Chân mối hàn (điểm nối): 220 µA/cm2, nồng độ cao
Mật độ dòng điện tăng cao tại HAZ và chân mối hàn giải thích tại sao vết rỗ lại xảy ra ở những vị trí này hơn là ở phần còn lại của vỏ bọc. Điện thế rỗ đo được của HAZ trong nước máy 80 độ là -50 mV so với SCE, trong khi điện thế hỗn hợp dưới tỷ lệ ghép 10:1 là +30 mV – một động lực 80 mV đảm bảo sự hòa tan tích cực liên tục tại HAZ.
Giải pháp thiết kế cách ly điện trong bể chứa nước nóng
Ba phương pháp thiết kế loại bỏ hoặc giảm thiểu sự ăn mòn điện giữa 316 vỏ bọc và kết cấu bể chứa bằng thép cacbon. Hiệu quả nhất là cách ly điện môi hoàn toàn. Chỉ định rằng tất cả các kết nối lắp bộ sưởi – cho dù có ren, mặt bích hay được gắn-giá đỡ – đều kết hợp ống lót điện môi, miếng đệm hoặc ống bọc ngoài để cung cấp điện trở vượt quá 1 MΩ giữa vỏ bọc 316 và bất kỳ thành phần thép cacbon nào. Nylon, polypropylen chứa đầy thủy tinh-hoặc PTFE là những vật liệu thích hợp cho ống lót. Các mối nối điện môi với các sợi-được lót bằng polyme cũng ngăn dòng điện chạy qua hệ thống đường ống.
Khi việc cách ly hoàn toàn là không thực tế (ví dụ: trong các hệ thống lắp đặt trang bị thêm trong đó bộ gia nhiệt nối trực tiếp vào khớp nối-bằng thép cacbon), phương pháp thứ hai là đảo ngược tỷ lệ diện tích. Cực dương bằng thép cacbon nhỏ kết hợp với cực âm lớn 316 gây lãng phí cực dương nhanh chóng nhưng độ phân cực 316 ở mức tối thiểu. Bằng cách cố tình thêm một cực dương hy sinh bằng thép cacbon có thể thay thế được (ví dụ: một tấm 50 mm × 100 mm được bắt vít vào thành bể gần bộ phận làm nóng), tỷ lệ diện tích trở thành 316:cực dương=10:1 hoặc cao hơn. Trong cấu hình này, điện thế hỗn hợp vẫn gần với điện thế 316 bị cô lập (-150 đến -180 mV) và vỏ bọc 316 vẫn hoàn toàn thụ động. Cực dương hy sinh được tiêu thụ và thay thế định kỳ.
Cách tiếp cận thứ ba áp dụng cho việc chế tạo xe tăng mới. Chỉ định rằng tất cả các bề mặt thép cacbon nhúng – bao gồm bên trong bể và mọi giá đỡ – đều nhận được lớp phủ bảo vệ ca-tốt chẳng hạn như mạ kẽm nhúng nóng-, epoxy hoặc polyurea. Một mối hàn hoặc lưỡi cắt bằng thép carbon không tráng phủ có kích thước nhỏ tới 1 cm2 có thể gây ra hiện tượng ăn mòn điện trên vỏ bọc 316 gần đó. Đối với các bể không thể được phủ đầy đủ, hãy lắp đặt hệ thống bảo vệ catốt dòng điện cưỡng bức có cực dương trơ (titan được phủ oxit kim loại hỗn hợp) và điện cực tham chiếu. Hệ thống duy trì thành bể ở mức -800 đến -900 mV so với Cu/CuSO₄, hệ thống này đồng thời bảo vệ thép cacbon và chuyển điện thế 316 sang vùng thụ động an toàn.
Ngôn ngữ đặc điểm kỹ thuật cho máy sưởi bể chứa nước nóng
Khi mua ống sưởi điện có vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 để lắp đặt trong bể chứa nước nóng bằng thép carbon – bao gồm máy nước nóng thương mại, bình chứa nhiệt và bể đệm – các kỹ sư nên đưa ra các yêu cầu cách ly điện rõ ràng. Bộ gia nhiệt phải kết hợp cách ly điện môi giữa vỏ thép không gỉ 316 và bất kỳ bộ phận lắp bằng thép cacbon nào (mặt bích, giá đỡ hoặc kết nối ren), cung cấp điện trở tối thiểu 1 MΩ đo ở 500 V DC. Đối với hệ thống lắp đặt có ren, hãy chỉ định liên kết điện môi hoặc ống nối nylon. Đối với lắp đặt có mặt bích, hãy chỉ định các miếng đệm PTFE hoặc EPDM có ống cách điện trên tất cả các bu lông. Trong các ứng dụng trang bị thêm mà không thể cách ly hoàn toàn, hãy chỉ định rằng bộ gia nhiệt phải đi kèm với cực dương hy sinh có thể thay thế (magie hoặc nhôm) có kích thước để bảo vệ vỏ bọc 316 và thép cacbon liền kề, với khối lượng cực dương được tính theo NACE SP0387 cho thể tích bể và tính chất hóa học của nước. Đối với việc chế tạo bể chứa mới, hãy chỉ định rằng tất cả các bề mặt bằng thép cacbon trong phạm vi 300 mm tính từ bất kỳ sự xâm nhập của thiết bị sưởi nào đều nhận được một lớp phủ bảo vệ (độ dày màng khô tối thiểu 250 µm) và tất cả các bề mặt được phủ đều phải được kiểm tra trong những ngày nghỉ (lỗ kim) bằng cách sử dụng{13}}thiết bị kiểm tra bọt biển ướt có điện áp thấp. Bằng cách coi khớp nối điện là biến số thiết kế chính chứ không phải là biện pháp bảo vệ chống ăn mòn cho bể chứa – các kỹ sư có thể ngăn ngừa 316 lỗi hàn vỏ bọc thường xuất hiện trong vòng 12–24 tháng trong các hệ thống không được bảo vệ.
