Koja je minimalna električna izolaciona otpornost potrebna da bi se spriječila galvanska apsorpcija vodonika za grijač u snopu titanijumskih cijevi u spremnik od ugljičnog čelika koji sadrži 10% natrijum hlorita na 60 stepeni?

Natrijum hlorit (NaClO2), 10% na 60 stepeni je oksidaciona otopina koja se koristi za izbjeljivanje i tretman vode. Kada se grijač titanijumskih cijevi naknadno ugradi u postojeći spremnik od ugljičnog čelika, stvara se galvanski par s obzirom da je titan plemenitiji od ugljičnog čelika. Ugljični čelik je anoda i korodira, a titanijum je katoda. Pri dovoljno negativnim potencijalima, na katodi na titanu dolazi do redukcije kisika i evolucije vodika. Titanijum može apsorbovati nastali vodonik i uzrokovati krhkost. Titanijumski grejač je električno izolovan od rezervoara od ugljeničnog čelika, čime se prekida galvanski krug. Minimalni otpor električne izolacije potreban da bi se spriječilo da galvanska struja premaši prag apsorpcije vodonika (približno 0,1 mA/cm^2 na površini titanijuma) je 1 megohm (1.000.000 oma).

Mehanizam galvanske apsorpcije vodonika na titanijumu u hloritnim elektrolitima

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-. Atomski vodonik se stvara na površini titanijuma i može prodrijeti u metal. Pri gustoći struje > 0,1-0,2 mA/cm2 stopa apsorpcije vodonika je dovoljno visoka da vremenom postane krhka. Električna izolacija osigurava put visokog otpora u kolu kako bi se smanjila galvanska struja do sigurnih granica. Potreban otpor izolacije određuje se iz galvanske razlike potencijala i dozvoljene struje.

Kvantitativna korelacija između apsorpcije vodika i otpornosti izolacije

Za standardni grijač od titanijumske cijevi (površina 1 m2) i spremnik od ugljičnog čelika (površina 10 m2) u 10% natrijum hloritu na 60°C, razlika galvanskog potencijala je oko 0,6 V. Galvanska struja se izračunava kao Igalv =} ΔV i_Ti je gustina struje na titanijumu, jednaka I_galv podeljena sa površinom titanijuma. U nedostatku izolacije (R_izolacija=0 Ω; uzima se u obzir samo otpor rješenja od ~10 Ω), galvanska struja je ~60 mA i i_Ti je 0,06 mA/cm², što je ispod praga apsorpcije vodonika, ali je granično i varira s geometrijom. Sa R_izolacijom=10, 000 oma I_galv je oko 0,06 mA, a i_Ti je 0,00006 mA/cm² ili 0,06 µA/cm² što je sigurno. Za R_izolaciju=100, 000 oma (0,1 MΩ), I_galv je približno 0,006 mA i i_Ti=0.006 µA/cm 2, što nudi veliku sigurnosnu marginu. Ako je R_izolacija=1, 000 000 ohma (1 MΩ), I_galv je oko 0,6 µA i i_Ti je 0,0006 µA/cm 2 što je beznačajno i standardna specifikacija. Izolacija je preko-specificirana (ali u redu) sa R_izolacijom=10,000,000 ohma (10 MΩ).

Utjecaj koncentracije i temperature natrijum hlorita na potrebnu otpornost izolacije

Potrebna minimalna otpornost izolacije ovisi o koncentraciji natrijum hlorita i radnoj temperaturi jer oni utiču na galvansku potencijalnu razliku. Razlika galvanskog potencijala je 0,4 V na 5% NaClO2 i 40 stepeni i minimalni izolacioni otpor za 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.

Vodič za specifikacije i verifikaciju za izolacionu otpornost na klorit

U sljedećoj tabeli prikazani su načini postizanja minimalnog otpora izolacije i procedure za verifikaciju tokom instalacije i periodične kontrole.

Metoda izolacije Verifikacija očekivanog otpora (MΩ) tokom instalacije Periodična provjera (svakih 6 mjeseci)
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
Samo gumena brtva (ne preporučuje se) 0,1–1 Nestabilan megoommetar (250V)
Direktan kontakt (bez izolacije)<0.001 Continuity test (beep) Not applicable
Projektiranje izolacijske otpornosti i izbor materijala izvan

Potrebna otpornost izolacije je nezavisna od titanijuma, jer je galvansko ponašanje Grade 2 i Grade 7 slično. Debljina stijenke daje mogućnost apsorpcije vodonika; zid od 2,0 mm postaje krt upola manje od zida od 1,0 mm pri istoj stopi apsorpcije. Ako izolacija nije moguća, spremnik od ugljičnog čelika treba biti katodno zaštićen. To može rezultirati većim negativnim potencijalima, a time i većom apsorpcijom vodika na titaniju. Optimalna tehnika je ugradnja rezervoara od titanijuma ili rezervoara obloženog plastikom- kako bi se u potpunosti eliminisala galvanska sprega. Otpor izolacije treba provjeravati povremeno, tj. svakih 6 mjeseci jer zaptivke mogu puzati i zatvarači mogu olabaviti, smanjujući otpor tokom vremena.

Informed Specification

Za grijač sa snopom od titanijumskih cijevi koji je naknadno ugrađen u rezervoar od ugljičnog čelika koji sadrži 10% natrijum hlorita na 60 stepeni, potrebna je električna izolacija sa minimalnim otporom od 1 MΩ, mereno između grejača i rezervoara pomoću megoommetra od 500 V. Sav montažni hardver treba da koristi PTFE zaptivke minimalne debljine 3 mm i PTFE čahure i podloške. Postojeće instalacije: Izmjerite otpor izolacije prije puštanja u rad. Ako je otpor manji od 1 MΩ, dodajte dielektrične spojnice ili zamijenite brtve. Tokom rada ponovo-izmjerite otpor svakih 6 mjeseci, ako otpor padne ispod 0,5 MΩ pregledajte i popravite izolacijske komponente. Nemojte koristiti katodnu zaštitu umjesto izolacije jer će to povećati rizik od apsorpcije vodonika na titanijumu. Inženjer sprečava galvansko vodonično krhkost titanijumskih grejača u servisu natrijum hlorita održavajući otpor električne izolacije preko 1 MΩ.