צינורות חימום חשמליים המותקנים במיכלי אגירת מים חמים מותקנים לרוב דרך אוגני פלדת פחמן או נתמכים על ידי סוגריים מפלדת פחמן מרותכים לקיר המיכל. כאשר מעטפת הנירוסטה 316 נוגעת במבנה פלדת הפחמן דרך נתיב מוליך - כגון תושבת מתכת, חיבור הברגה, או אפילו דרך גשרים בקנה מידה מוליכים - נוצר תא קורוזיה גלווני. פלדת אל-חלד 316 פועלת כקתודה (אצילה) ופלדת הפחמן כאנודה (אקטיבית). במערכות לא מלוכדות חסרות בידוד דיאלקטרי או הגנה קתודית, רכיב פלדת הפחמן מתכלה בקצבים מואצים. עם זאת, נתוני כשל בשדה ממחממי מים מסחריים חושפים ממצא פחות אינטואיטיבי: הזרם הגלווני פוגע גם במעטפת הנירוסטה 316, במיוחד באזורים המושפעים מהחום-. הזרם הקתודי הזורם ממשטח ה-316 אל פלדת הפחמן דרך האלקטרוליט מעביר את פוטנציאל ה-316 לאזור פעיל יותר שבו הסרט הפסיבי הופך לבלתי יציב, מה שמוביל להתפרצות מואצת ולקורוזיה של חריצים באצבעות ריתוך ו-HAZ רגישים. מנגנון מנוגד-אינטואיטיבי זה - קיטוב קתודי הגורם לקורוזיה של החומר האציל הנומינלי - מתרחש מכיוון שהזוג הגלווני מניע את פני השטח 316 לאזור המעבר הפסיבי-הפעיל. מאמר זה מכמת את צפיפות הזרם הגלווני ושיעורי הקורוזיה עבור זוגות פלדה 316 פחמן במים חמים ומספק מפרטי עיצוב למניעת בזבוז פלדת פחמן והתקפת ריתוך 316.
תופעת היפוך זוגיות גלוונית במים חמים ודלי כלוריד-
הסדרה הגלוונית הקונבנציונלית במי ים-טמפרטורת הסביבה מציבה פלדת אל-חלד 316 כפלדת אצילה (קתודית) לפחמן, עם הפרש פוטנציאל של כ-300-400 mV. פלדת הפחמן מחלידה באופן מקריב, ומגינה על הנירוסטה. זה נשאר נכון במים קרים ומוליכים. עם זאת, במים חמים (60-80 מעלות) עם מוליכות בינונית עד נמוכה (500-3000 µS/cm), ההתנהגות הגלוונית משתנה. הסרט הפסיבי מנירוסטה 316, יציב בטמפרטורת הסביבה, הופך פחות מגן בטמפרטורות גבוהות, במיוחד בנוכחות עקבות כלורידים (20-100 ppm אופייניים למים עירוניים). פוטנציאל המעגל הפתוח של 316 במי ברז של 80 מעלות משתנה באופן קתודי ב-150-250 mV בהשוואה לערך טמפרטורת החדר שלו, ומקרב אותו לפוטנציאל הקורוזיה של פלדת פחמן.
בחיבור גלווני, הפוטנציאל המעורב של צמד פלדת הפחמן 316- נמצא בערך שבו 316 אינו פסיבי לחלוטין אלא נמצא באזור המעבר הפסיבי-הפעיל. בטווח פוטנציאלי זה, משטח ה-316 חווה התמוטטות סרטים ופירסיבציה תקופתית, מה שמוביל לקורוזיה מקומית באתרים החלשים ביותר - בדרך כלל הריתוך HAZ, שבו דלדול הכרום ושאר המתח מתרכזים בהתקפות. סריקות פוטנציודינמיות של 316 במי ברז של 80 מעלות (80 ppm Cl⁻, 200 µS/cm) מציגות אזור פסיבי מ-200 עד +150 mV לעומת SCE, שיא פעיל ב-100 mV בערך, והתמוטטות טרנספאסיבית מעל +150 mV. הפוטנציאל המעורב של זוג פלדה 316 פחמן (יחס שטח 1:10, כלומר אנודת פלדת פחמן גדולה פי עשרה מהקתודה 316) מתייצב על -50 עד +50 mV - באופן ישיר במעבר אקטיבי-פאסיבי שבו הסרט הפסיבי אינו יציב.
זרמים גלווניים ושיעורי קורוזיה מכומתים באחסון מים חמים מדומה
ניסויי צימוד גלווני מבוקרים נערכו באמצעות 316 דגימות מעטפת נירוסטה (12 מ"מ OD, 1.2 מ"מ דופן, כולל ריתוך TIG אוטוגני) ולוחות פלדת פחמן (A36, המייצגים חומר קיר של מיכל). האלקטרוליט היה מי ברז סינתטיים (80 ppm Cl⁻, 120 ppm SO₄²⁻, 150 ppm Ca²⁺, pH 7.2, מוליכות 350 µS/cm) ב-75 מעלות. יחס השטח של פלדת פחמן ל-316 השתנה מ-1:1 ל-20:1, המייצג תצורות שונות של שטחי חימום-ל-מכל. מדי זרם אפס-התנגדות מדדו זרם גלווני, ודגימות נבדקו לאחר 1000 שעות לאיתור נזקי קורוזיה.
| יחס שטח (פלדת פחמן:316) | צפיפות זרם גלווני על 316 (µA/cm²) | פוטנציאל מעורב (mV לעומת SCE) | שיעור קורוזיה של פלדת פחמן (מ"מ/שנה) | 316 Weld HAZ עומק בור לאחר 1000 שעות (מיקרומטר) | 316 מצב נזק |
|---|---|---|---|---|---|
| אין צימוד (מבודד) | 0 | -180 (316 לבד) | 0.05 (רקע) | 5 | אַף לֹא אֶחָד |
| 1:1 | 12 | -20 | 0.35 | 15 | תחריט מתון בריתוך |
| 5:1 | 28 | +10 | 0.85 | 45 | בורות ב-HAZ, מספר אתרים |
| 10:1 | 35 | +30 | 1.20 | 85 | חריפות חמורות, הקטנת קיר ל-1.0 מ"מ |
| 20:1 | 38 | +45 | 1.40 | 120 | קרוב ל-ניקוב, התקפת ריתוך נרחבת |
| 10:1 עם בידוד דיאלקטרי (תותב ניילון) | 2 | -160 | 0.08 | 8 | אין התקפה משמעותית |
יחס השטח של 20:1 (אופייני למחמם יחיד במיכל מים חמים ביתי גדול) יצר צפיפות זרם גלווני של 38 µA/cm² על פני השטח 316. אמנם קטן, זרם זה מספיק כדי להעביר את פוטנציאל 316 מהערך המבודד שלו של -180 mV ל-+45 mV - מעבר של 225 mV למעבר אקטיבי-פאסיבי. פלדת הפחמן חלתה במהירות של 1.4 מ"מ לשנה, מה שיחורר דופן של מיכל 6 מ"מ תוך כ-4 שנים. חשוב יותר עבור חיי המחמם, הרתך 316 HAZ פיתח בורות בעומק ממוצע של 120 מיקרומטר לאחר 1000 שעות בלבד, כאשר כמה בורות חודרים 80% דרך הקיר בגודל 1.2 מ"מ.
רגישות של 316 Weld HAZ לקיטוב גלווני במים חמים
האזור המושפע מחום הריתוך הוכח כמיקום הפגיע ביותר במעטפת 316 עבור קורוזיה הנגרמת על רקע גלווני. רגישות זו נובעת משלושה גורמים. ראשית, ה-HAZ מכיל אזורים מדוללים- בכרום (נמוכים כמו 12-13% Cr) עקב משקעי קרביד במהלך ריתוך, אפילו ב-316L עם פחמן נמוך. שנית, גיאומטריית אצבע הריתוך יוצרת מצב דמוי חריץ- שבו חיזוק הריתוך פוגש את המתכת הבסיסית. שלישית, מתחי מתיחה שיוריים מהריתוך מרוכזים ב-HAZ. תחת קיטוב גלווני, גורמים אלה משתלבים כדי לייצר התקפה מקומית בצפיפות זרם גבוהה פי 5-10 מאשר על המתכת הבסיסית.
מדידות מיקרואלקטרודות של חלוקת זרם גלווני לאורך דגימת מעטפת מרותכת 316 מחוברת לפלדת פחמן (יחס שטח 10:1) הראו:
מתכת בסיסית (הרחק מריתוך): 28 µA/cm², אחיד
HAZ (בטווח של 2 מ"מ מקו היתוך): 110-180 µA/cm², מקומי
מתכת ריתוך: 45 µA/cm², אחידה
בוהן ריתוך (צומת): 220 µA/cm², מרוכז מאוד
צפיפות הזרם המוגברת ב-HAZ ובבוהן הריתוך מסבירה מדוע התפרצויות התרחשו בצורה מועדפת במיקומים אלה ולא בשאר המעטפת. פוטנציאל הבור הנמדד של ה-HAZ במי ברז של 80 מעלות היה -50 mV לעומת SCE, בעוד שהפוטנציאל המעורב תחת צימוד של 10:1 היה +30 mV - כוח מניע של 80 mV שהבטיח פירוק פעיל מתמשך ב-HAZ.
פתרונות עיצוב לבידוד גלווני במיכלי אחסון מים חמים
שלוש גישות עיצוב מבטלות או מפחיתות קורוזיה גלוונית בין 316 מעטפות ומבני מיכל פלדת פחמן. היעיל ביותר הוא בידוד דיאלקטרי מלא. ציין שכל חיבורי ההרכבה של תנור החימום - בין אם מוברגים, מאוגנים או מותקנים בסוגר- כוללים תותבים דיאלקטריים, אטמים או שרוולים המספקים התנגדות חשמלית העולה על 1 MΩ בין מעטפת 316 לכל רכיב פלדת פחמן. ניילון, פוליפרופילן-מילוי זכוכית או PTFE הם חומרים מתאימים לתותבים. איגודים דיאלקטריים עם חוטים מרופדים בפולימר- מונעים גם זרימת זרם דרך מערכת הצנרת.
כאשר בידוד מוחלט אינו מעשי (לדוגמה, במתקנים של שיפוץ חוזר שבהם המחמם מושחל ישירות לחצי פלדת פחמן-צימוד), הגישה השנייה היא להפוך את יחס השטח. אנודת פלדת פחמן קטנה המחוברת לקתודה גדולה של 316 גורמת לבזבוז מהיר של האנודה אך לקיטוב מינימלי של 316. על ידי הוספה מכוונת של אנודת הקרבה ניתנת להחלפה מפלדת פחמן (למשל, לוח בגודל 50 מ"מ × 100 מ"מ המוברג לקיר המיכל ליד המחמם), יחס השטח הופך ל-316:אנודה=10:1 או יותר. בתצורה זו, הפוטנציאל המעורב נשאר קרוב לפוטנציאל 316 המבודד (-150 עד -180 mV), ונדן 316 נשאר פסיבי לחלוטין. אנודת ההקרבה נצרכת ומוחלפת מעת לעת.
הגישה השלישית חלה על ייצור טנקים חדשים. ציין שכל משטחי פלדת הפחמן הטבולים - כולל פנים המיכל וכל סוגרי הרכבה - מקבלים ציפוי הגנה קתודי כגון גלוון טבילה חמה, אפוקסי או פוליאוריאה. ריתוך פלדת פחמן לא מצופה או קצה חתוך קטן עד 1 ס"מ² יכולים לגרום לקורוזיה גלוונית על מעטפת 316 סמוכה. עבור מיכלים שאינם ניתנים לציפוי מלא, התקן מערכת הגנה קתודית עם זרם מופעל עם אנודה אינרטית (טיטניום מצופה תחמוצת מתכת מעורבת) ואלקטרודת ייחוס. המערכת שומרת על דופן המיכל ב-800 עד -900 mV לעומת Cu/CuSO₄, מה שמגן בו זמנית על פלדת הפחמן ומעביר את פוטנציאל 316 לאזור פסיבי בטוח.
שפת מפרט עבור מחממי מיכל אחסון מים חמים
בעת רכישת צינורות חימום חשמליים מצופים נירוסטה 316 להתקנה במיכלי אחסון מים חמים מפלדת פחמן - כולל מחממי מים מסחריים, מכלי אחסון תרמיים ומיכלי חיץ - על המהנדסים לכלול דרישות בידוד גלווני מפורשות. מכלול המחמם יכלול בידוד דיאלקטרי בין מעטפת הנירוסטה 316 לבין כל רכיבי הרכבה מפלדת פחמן (אוגנים, סוגרים או חיבורי הברגה), המספקים התנגדות חשמלית מינימלית של 1 MΩ הנמדדת ב-500 V DC. עבור התקנות הברגה, ציין איחוד דיאלקטרי או חוד ניילון. עבור התקנות עם אוגן, ציין אטמי PTFE או EPDM עם שרוולים דיאלקטריים על כל הברגים. ביישומי תיקון לאחור שבהם לא ניתן להשיג בידוד מלא, ציין שהמחמם ילווה באנודת הקרבה ניתנת להחלפה (מגנזיום או אלומיניום) בגודל כדי להגן על מעטפת 316 ופלדת הפחמן הסמוכה, כאשר מסת האנודה מחושבת לפי NACE SP0387 עבור נפח המיכל וכימיה של המים. לייצור מיכל חדש, ציין שכל משטחי פלדת הפחמן בטווח של 300 מ"מ מחדירת מחמם כלשהי מקבלים ציפוי מגן (מינימום 250 מיקרומטר עובי סרט יבש) ושכל המשטחים המצופים ייבדקו לחגים (חורים) באמצעות בודק ספוג רטוב-במתח נמוך. על ידי התייחסות לצימוד גלווני כמשתנה עיצובי ראשוני - לא כמחשבה שלאחר מכן להגנה מפני קורוזיה של מיכלים - מהנדסים יכולים למנוע כשלים בריתוך של מעטפת 316 המופיעים בדרך כלל תוך 12-24 חודשים במערכות לא מוגנות.
