온수 저장 탱크에 설치된 전기 가열 튜브는 종종 탄소강 플랜지를 통해 장착되거나 탱크 벽에 용접된 탄소강 브래킷으로 지지됩니다. 316 스테인리스강 피복이 금속 장착 브래킷, 나사산 연결 또는 전도성 스케일 브리지와 같은 전도성 경로를 통해 탄소강 구조물과 접촉하면 갈바니 부식 셀이 형성됩니다. 316 스테인리스강은 음극(귀금속) 역할을 하고 탄소강은 양극(활성) 역할을 합니다. 유전 절연이나 음극 보호 기능이 부족한 비결합 시스템에서는 탄소강 부품이 빠른 속도로 부식됩니다. 그러나 상업용 온수기의 현장 고장 데이터는 덜 직관적인 결과를 보여줍니다. 즉, 갈바닉 전류는 특히 용접 열-영향을 받는 구역에서 316 스테인리스강 보호관을 손상시킵니다. 전해질을 통해 316 표면에서 탄소강으로 흐르는 음극 전류는 316 전위를 부동태 피막이 불안정해지는 보다 활동적인 영역으로 이동시켜 용접 발가락과 민감한 HAZ에서 공식 및 틈 부식이 가속화됩니다. 이러한 반직관적인 메커니즘(명목상 귀금속의 부식을 일으키는 음극 분극)은 갈바니 쌍이 316 표면을 활성-수동 전이 영역으로 유도하기 때문에 발생합니다. 이 기사에서는 온수에서 316 탄소강 커플의 갈바니 전류 밀도와 부식 속도를 정량화하고 탄소강 낭비와 316 용접 공격을 모두 방지하기 위한 설계 사양을 제공합니다.
뜨겁고 낮은-염화물 물에서 갈바니 커플 역전 현상
주변 온도 해수의 기존 갈바닉 계열은 316 스테인리스강을 탄소강에 비해 귀금속(음극)으로 위치시키며 전위차는 약 300~400mV입니다. 탄소강은 희생적으로 부식되어 스테인레스강을 보호합니다. 이는 차갑고 전도성이 있는 물에서도 마찬가지입니다. 그러나 중간에서 낮은 전도도(500~3000μS/cm)의 뜨거운 물(60~80도)에서는 갈바닉 동작이 변경됩니다. 주변 온도에서 안정적인 316 스테인리스강 부동태 피막은 특히 미량 염화물(일반 수돗물의 경우 20~100ppm)이 있는 경우 높은 온도에서 보호 효과가 약해집니다. 80도 수돗물에서 316의 개방 회로 전위는 실온 값과 비교하여 150~250mV만큼 음극으로 이동하여 탄소강의 부식 전위에 더 가까워집니다.
갈바닉 결합 시, 316-탄소강 쌍의 혼합 전위는 316이 완전히 수동적이지는 않지만 능동-수동 전이 영역에 있는 값에 있습니다. 이 잠재적 범위에서 316 표면은 주기적인 피막 파괴 및 재부동태화를 경험하여 가장 약한 부위(일반적으로 크롬 고갈 및 잔류 응력 집중 공격이 있는 용접 HAZ)에서 국부적인 부식을 일으킵니다. 80도 수돗물(80ppm Cl⁻, 200μS/cm)에서 316의 전위차 스캔은 SCE에 비해 -200에서 +150mV까지의 수동 영역, 약 -100mV에서 활성 피크, +150mV 이상의 통과 항복 항복을 보여줍니다. 316 탄소강 쌍(면적비 1:10, 탄소강 양극이 316 음극보다 10배 더 크다는 의미)의 혼합 전위는 -50 ~ +50 mV에서 안정화됩니다. 이는 수동태 피막이 불안정한 능동-수동 전이에서 정확히 나타납니다.
시뮬레이션된 온수 저장 공간의 정량화된 갈바니 전류 및 부식 속도
제어된 갈바닉 커플링 실험은 316개의 스테인리스강 외피 샘플(12mm OD, 1.2mm 벽, 자생 TIG 용접 포함)과 탄소강판(A36, 탱크 벽 재료를 나타냄)을 사용하여 수행되었습니다. 전해질은 75도에서 합성 수돗물(80ppm Cl⁻, 120ppm SO₄²⁻, 150ppm Ca²⁺, pH 7.2, 전도도 350μS/cm)이었습니다. 316에 대한 탄소강의 면적 비율은 1:1에서 20:1까지 다양했으며 이는 히터-대-탱크 표면적 구성의 차이를 나타냅니다. 저항이 없는 전류계로 갈바니 전류를 측정하고 1000시간 후에 샘플의 부식 손상 여부를 검사했습니다.
| 면적비(탄소강:316) | 316의 갈바니 전류 밀도(μA/cm²) | 혼합 전위(mV 대 SCE) | 탄소강 부식률(mm/년) | 316 1000시간 후 용접 HAZ 피팅 깊이(μm) | 316 데미지 모드 |
|---|---|---|---|---|---|
| 커플링 없음(절연) | 0 | -180 (단독 316) | 0.05(배경) | 5 | 없음 |
| 1:1 | 12 | -20 | 0.35 | 15 | 용접 시 가벼운 에칭 |
| 5:1 | 28 | +10 | 0.85 | 45 | HAZ의 구덩이, 여러 현장 |
| 10:1 | 35 | +30 | 1.20 | 85 | 심한 구멍, 벽이 1.0mm로 축소됨 |
| 20:1 | 38 | +45 | 1.40 | 120 | 천공 근처-, 광범위한 용접 공격 |
| 10:1, 유전체 절연(나일론 부싱) | 2 | -160 | 0.08 | 8 | 큰 공격 없음 |
20:1 면적 비율(대형 가정용 온수 탱크의 단일 히터의 일반적인 비율)은 316 표면에서 38μA/cm²의 갈바닉 전류 밀도를 생성했습니다. 작지만 이 전류는 316 전위를 절연된 값인 -180mV에서 +45mV로 이동하는 데 충분합니다. 이는 225mV가 활성-수동 전환으로 이동하는 것입니다. 탄소강은 연간 1.4mm의 속도로 부식되었으며, 이는 약 4년 내에 6mm 탱크 벽을 관통하게 됩니다. 히터 수명에 있어서 더 중요한 점은 316 용접 HAZ가 단 1000시간 후에 평균 120μm 깊이의 피트를 개발했으며 일부 피트는 1.2mm 벽을 80% 관통했습니다.
뜨거운 물의 갈바닉 분극에 대한 316 용접 HAZ의 민감도
용접 열{0}영향 영역은 316 보호관에서 갈바닉 유발 부식에 가장 취약한 위치임이 입증되었습니다. 이러한 민감도는 세 가지 요인으로 인해 발생합니다. 첫째, HAZ에는 저탄소 316L에서도 용접 중 탄화물 석출로 인해 크롬-이 고갈된 영역(낮은 12~13% Cr)이 포함되어 있습니다. 둘째, 용접 토우 형상은 용접 보강재가 모재 금속과 만나는 틈새-와 같은 조건을 만듭니다. 셋째, 용접으로 인한 잔류 인장응력은 HAZ에 집중됩니다. 갈바닉 분극 하에서 이러한 요인들이 결합되어 모재보다 5~10배 더 높은 전류 밀도에서 국부적인 공격을 생성합니다.
탄소강(면적비 10:1)에 결합된 용접된 316 피복 샘플을 따라 갈바니 전류 분포의 미세 전극 측정은 다음을 보여줍니다.
모재(용접에서 떨어진 곳): 28 µA/cm², 균일
HAZ(융합선 2mm 이내): 110~180μA/cm², 국지적
용접 금속: 45 µA/cm², 균일
용접 토우(접합부): 220 µA/cm², 고농축
HAZ 및 용접 토우에서 전류 밀도가 높아지면 피복의 나머지 부분이 아닌 이러한 위치에서 피팅이 우선적으로 발생하는 이유를 설명할 수 있습니다. 80도 수돗물에서 측정된 HAZ의 공식 전위는 SCE에 비해 -50mV인 반면, 10:1 결합 하에서 혼합 전위는 +30mV였습니다. 이는 HAZ에서 지속적인 활성 용해를 보장하는 80mV의 구동력입니다.
온수 저장 탱크의 갈바닉 절연을 위한 설계 솔루션
세 가지 설계 접근 방식은 316 외장과 탄소강 탱크 구조 사이의 갈바닉 부식을 제거하거나 완화합니다. 가장 효과적인 방법은 완전한 유전체 절연입니다. 나사형, 플랜지형 또는 브래킷-장착 여부에 관계없이 모든 히터 장착 연결에는 316 외장과 탄소강 부품 사이에 1MΩ을 초과하는 전기 저항을 제공하는 유전체 부싱, 개스킷 또는 슬리브가 포함되어 있음을 지정합니다. 나일론, 유리- 충전 폴리프로필렌 또는 PTFE가 부싱에 적합한 재료입니다. 폴리머-라인 스레드로 구성된 유전체 결합은 배관 시스템을 통한 전류 흐름도 방지합니다.
완전한 절연이 비현실적인 경우(예: 히터가 탄소강 하프-커플링에 직접 나사산이 있는 개조 설치), 두 번째 접근 방식은 면적 비율을 바꾸는 것입니다. 큰 316 음극에 결합된 작은 탄소강 양극은 급속한 양극 소모를 일으키지만 316 분극은 최소화됩니다. 교체 가능한 탄소강 희생 양극(예: 히터 근처 탱크 벽에 볼트로 고정된 50mm × 100mm 플레이트)을 의도적으로 추가하면 면적 비율이 316:양극=10:1 이상이 됩니다. 이 구성에서 혼합 전위는 격리된 316 전위(-150 ~ -180mV)에 가깝게 유지되고 316 외장은 완전히 수동 상태로 유지됩니다. 희생 양극은 주기적으로 소모되고 교체됩니다.
세 번째 접근 방식은 새로운 탱크 제작에 적용됩니다. 탱크 내부 및 장착 브래킷을 포함하여 모든 침수된 탄소강 표면에 용융 아연 도금, 에폭시 또는 폴리우레아와 같은 음극 보호 코팅을 적용하도록 지정합니다.- 코팅되지 않은 탄소강 용접 또는 1cm²만큼 작은 절단 모서리는 근처 316 피복에 갈바닉 부식을 유발할 수 있습니다. 완전히 코팅할 수 없는 탱크의 경우, 불활성 양극(혼합 금속 산화물 코팅 티타늄)과 기준 전극이 있는 전동식 감동 전류 음극 보호 시스템을 설치하십시오. 이 시스템은 Cu/CuSO₄에 비해 탱크 벽을 -800 ~ -900mV로 유지하여 동시에 탄소강을 보호하고 316 전위를 안전한 수동 영역으로 이동시킵니다.
온수 저장조 히터 사양 언어
상업용 온수기, 축열 용기, 완충 탱크 등 탄소강 온수 저장 탱크에 설치하기 위해 316 스테인리스강 피복 전기 가열 튜브를 구매할 때 엔지니어는 명시적인 갈바닉 절연 요구 사항을 포함해야 합니다. 히터 어셈블리는 316 스테인리스강 보호관과 탄소강 장착 부품(플랜지, 브래킷 또는 나사 연결부) 사이에 유전체 절연을 통합하여 500V DC에서 측정 시 1MΩ의 최소 전기 저항을 제공해야 합니다. 나사형 설치의 경우 유전체 유니온 또는 나일론 페룰을 지정하십시오. 플랜지 설치의 경우 모든 볼트에 유전체 슬리브가 있는 PTFE 또는 EPDM 개스킷을 지정하십시오. 완전한 절연을 달성할 수 없는 개조 응용 분야에서는 히터에 316 피복 및 인접 탄소강을 보호할 수 있는 크기의 교체 가능한 희생 양극(마그네슘 또는 알루미늄)이 수반되도록 지정하고, 탱크 부피 및 물 화학에 대해 NACE SP0387에 따라 계산된 양극 질량을 사용합니다. 새 탱크 제작의 경우 히터 관통부 300mm 이내의 모든 탄소강 표면에 보호 코팅(최소 250μm 건조 필름 두께)을 적용하고 모든 코팅된 표면에 저전압 습식 스폰지 테스터를 사용하여 휴일(핀홀)이 있는지 검사하도록 지정합니다. 탱크 부식 방지에 대한 사후 고려가 아닌 갈바닉 커플링을 기본 설계 변수로 처리함으로써 엔지니어는 보호되지 않은 시스템에서 일반적으로 12~24개월 내에 나타나는 316개의 피복 용접 실패를 방지할 수 있습니다.
