Pour une modification d'un réchauffeur de faisceau de tubes en titane dans un réservoir en acier au carbone contenant 10 % de chlorite de sodium à 60 degrés, quelle est la résistance d'isolation électrique minimale requise pour empêcher l'absorption galvanique de l'hydrogène ?

Le chlorite de sodium (NaClO2), 10 % à 60 degrés est une solution oxydante utilisée dans le blanchiment et le traitement de l'eau. Lorsqu'un élément chauffant à faisceau de tubes en titane est installé dans un réservoir en acier au carbone existant, un couple galvanique est créé étant donné que le titane est plus noble que l'acier au carbone. L'acier au carbone est l'anode et est corrodé, et le titane est la cathode. À des potentiels suffisamment négatifs, une réduction de l'oxygène et un dégagement d'hydrogène se produisent à la cathode du titane. L'hydrogène généré peut être absorbé par le titane et provoquer une fragilisation. Le radiateur en titane est isolé électriquement du réservoir en acier au carbone, coupant ainsi le circuit galvanique. La résistance d'isolation électrique minimale nécessaire pour empêcher le courant galvanique de dépasser le seuil d'absorption d'hydrogène (environ 0,1 mA/cm^2 sur la surface du titane) est de 1 mégohm (1 000 000 ohms).

Mécanisme d'absorption galvanique de l'hydrogène sur le titane dans les électrolytes chlorites

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-. De l'hydrogène atomique est créé à la surface du titane et peut s'infiltrer dans le métal. À des densités de courant > 0,1-0,2 mA/cm2, le taux d'absorption de l'hydrogène est suffisamment élevé pour fragiliser le matériau au fil du temps. L'isolation électrique fournit un chemin à haute résistance dans le circuit pour réduire le courant galvanique à des limites sûres. La résistance d'isolement requise est déterminée à partir de la différence de potentiel galvanique et du courant admissible.

Corrélation quantitative entre l'absorption d'hydrogène et la résistance d'isolation

Pour un radiateur à faisceau de tubes en titane standard (surface 1 m2) et un réservoir en acier au carbone (surface 10 m2) dans 10 % de chlorite de sodium à 60 °C, la différence de potentiel galvanique est d'environ 0,6 V. Le courant galvanique est calculé comme Igalv=ΔV / Risolation. i_Ti est la densité de courant sur le titane, égale à I_galv divisée par la surface du titane. En l'absence d'isolation (R_isolation=0 Ω ; seule la résistance de la solution de ~10 Ω est prise en compte), le courant galvanique est de ~60 mA et i_Ti est de 0,06 mA/cm², ce qui est inférieur au seuil d'absorption de l'hydrogène, mais est limite et varie selon la géométrie. Avec R_isolation=10, 000 ohms I_galv est d'environ 0,06 mA et i_Ti est de 0,00006 mA/cm² ou 0,06 µA/cm², ce qui est sûr. Pour R_isolation=100 000 ohms (0,1 MΩ), I_galv est d'environ 0,006 mA et i_Ti=0.006 µA/cm 2, ce qui offre une grande marge de sécurité. Si R_isolation=1, 000 000 ohms (1 MΩ), I_galv est d'environ 0,6 µA et i_Ti est de 0,0006 µA/cm 2, ce qui est insignifiant et correspond à la spécification standard. L'isolation est sur-spécifiée (mais OK) avec R_isolation=10 000 000 ohms (10 MΩ).

Influence de la concentration et de la température du chlorite de sodium sur la résistance d'isolement requise

La résistance d'isolement minimale nécessaire dépend de la concentration en chlorite de sodium et de la température de fonctionnement, car celles-ci influencent la différence de potentiel galvanique. La différence de potentiel galvanique est de 0,4 V à 5 % de NaClO2 et 40 degrés et la résistance d'isolement minimale pour 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.

Guide de spécification et de vérification de la résistance d’isolement en service au chlorite

Le tableau suivant montre les moyens d'atteindre la résistance d'isolement minimale et les procédures de vérification lors de l'installation et de l'inspection périodique.

Méthode d'isolement Vérification de la résistance attendue (MΩ) pendant l'installation Vérification périodique (tous les 6 mois)
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
Joint en caoutchouc uniquement (non recommandé) 0,1–1 Mégohmmètre non stable (250 V)
Contact direct (pas d'isolement)<0.001 Continuity test (beep) Not applicable
Conception de la résistance d'isolement et sélection des matériaux au-delà

La résistance d'isolement requise est indépendante de la qualité du titane, car le comportement galvanique des grades 2 et 7 est similaire. L'épaisseur de la paroi donne une marge d'absorption d'hydrogène ; un mur de 2,0 mm se fragilise deux fois moins vite qu'un mur de 1,0 mm au même taux d'absorption. Si l'isolation n'est pas possible, le réservoir en acier au carbone doit être protégé cathodiquement. Cela peut entraîner davantage de potentiels négatifs, et donc une plus grande absorption d’hydrogène sur le titane. La technique optimale consiste à installer un réservoir en titane ou un réservoir à revêtement en plastique - pour éliminer complètement le couplage galvanique. La résistance d'isolement doit être vérifiée occasionnellement, c'est-à-dire tous les 6 mois, car les joints peuvent glisser et les fixations peuvent se desserrer, réduisant ainsi la résistance au fil du temps.

Spécification éclairée

Pour un appareil de chauffage à faisceau de tubes en titane installé dans un réservoir en acier au carbone contenant 10 % de chlorite de sodium à 60 degrés, nécessite une isolation électrique avec une résistance minimale de 1 MΩ, mesurée entre l'appareil de chauffage et le réservoir à l'aide d'un mégohmmètre de 500 V. Tout le matériel de montage doit utiliser des joints en PTFE d'une épaisseur minimale de 3 mm ainsi que des manchons et rondelles de boulons en PTFE. Installations existantes : Mesurer la résistance d'isolement avant la mise en service. Si la résistance est inférieure à 1 MΩ, ajoutez des couplages à rupture diélectrique ou remplacez les joints. Pendant le fonctionnement, mesurez à nouveau la résistance tous les 6 mois. Si la résistance descend en dessous de 0,5 MΩ, inspectez et réparez les composants d'isolation. N'utilisez pas de protection cathodique au lieu d'une isolation car cela augmenterait le risque d'absorption d'hydrogène sur le titane. L'ingénieur évite la fragilisation galvanique par l'hydrogène des radiateurs en titane en service au chlorite de sodium en maintenant la résistance d'isolation électrique supérieure à 1 MΩ.