Comment la densité du courant galvanique entre un radiateur en titane et une paroi de réservoir en acier au carbone change-t-elle lorsque la couche d'oxyde du radiateur est endommagée ?

Pour un ingénieur de procédés qui doit installer un thermoplongeur en titane dans un réservoir en acier au carbone, la densité de courant galvanique entre les deux métaux dépendra de manière vitale de l'intégrité de la couche d'oxyde passive sur le titane. Lorsque la couche d'oxyde est intacte, le titane a un potentiel noble (environ +0.1 à +0.3 V par rapport au SCE) dans la plupart des électrolytes aérés, tandis que l'acier au carbone a un potentiel plus actif (environ -0,5 à -0,7 V par rapport au SCE). Le courant galvanique passe de l'acier au carbone (anode, corrosif) au titane (cathode, protégé). La densité de courant est généralement de 0,1 à 1,0 µA/cm2 de surface de titane. Lorsque le film d'oxyde est détruit (par rayure, abrasion ou agression chimique localisée), le titane nu exposé a un potentiel actif égal ou plus négatif que l'acier au carbone (environ -0,6 à -0,8 V par rapport au SCE). Le courant galvanique est inversé : le titane devient l'anode et se corrode rapidement avec des densités de courant atteignant 100 à 1 000 µA/cm², soit une multiplication par 100 à 1 000. Ce couplage galvanique inversé peut ronger un élément chauffant en titane en quelques semaines.

Inversion galvanique et mécanisme d'endommagement de la couche d'oxyde
Le revêtement passif de TiO₂ sur le titane est un semi-conducteur de type n- et maintient une densité de courant cathodique élevée pour la réduction de l'oxygène, mais bloque le courant anodique du substrat en titane. Le titane, lorsque le film est intact, est une cathode efficace qui entraîne la corrosion de l'acier au carbone lié. Lorsque le film est détruit, la zone de titane nue exposée (généralement < 1 % de la surface totale) devient une zone à potentiel mixte. La grande zone passive environnante fonctionne toujours comme une cathode, mais la petite partie nue en titane fonctionne désormais comme une anode. Le courant galvanique produit est limité au défaut et produit des densités de courant anodique de 100 à 1 000 µA/cm2, adéquates pour maintenir une dissolution active et empêcher la repassivation.

Le ratio de surface endommagée (A_damaged / A_passive) est le paramètre clé. Pour l'exemple d'une rayure de 1 cm2 sur un radiateur de 1000 cm2 (0,1% de la surface est endommagée), la densité de courant galvanique sur la rayure est (i_galvanic * A_passive) / A_damaged. Si la densité de courant galvanique entre le titane passif et l'acier au carbone est de 0,5 µA/cm², alors la densité de courant sur la rayure est de (0,5 × 1 000) / 1=500 µA/cm²-suffisante pour dissoudre le titane à environ 0,5 mm/mois.

Mesure de la densité de courant galvanique sur l'oxyde intact ou endommagé
Condition État de la couche d’oxyde Potentiel du titane (V vs. SCE) Densité du courant galvanique (µA/cm2 Ti) Direction Taux de corrosion du titane (mm/an)
Injection d'air aquatique, fixée sur acier au carboneIntact 0.2 0.3 Acier > Ti (corrosion) < 0,01 (Ti protégé)
Eau de mer aérée, 1 % surface rayée Endommagé (1 % surface) -0,4 (mixte) 5 (global)Ti (rayure) → Acier (local) 0,5 (à gratter)
Eau de mer aérée 5% surface rayée Endommagé (5% surface) -0,5 (mixte) 10 (global) Ti (rayures) → Acier 1,0 (au niveau des rayures)
Eau de mer désaérée, tout état de surface Film passif instable -0,6 à -0.8 50–200 Ti → Acier (le Ti se corrode) 2–10 (uniforme)
Intact film, acid chloride (pH 3)Intact, but less stable 0.0 to +0.1 1-5 Steel ->Ti (corrosion de l'acier) < 0,05
Acid chloride (pH 3), scratched Damaged -0.4 to -0.6 50-500 Ti (scratch) ->Acier 2-20 (localisé)
Une approche basée sur des scénarios-pour le contrôle du couplage galvanique avec l'acier au carbone
Électrolyte à l’état d’oxyde de chauffage du matériau du réservoirRecommandé : atténuation des risques galvaniques
Acier au carbone Non revêtu Eau de mer aéréeFaible (rouilles d'acier, protection Ti) Acceptable. Protection contre la corrosion nécessaire pour le réservoir en acier.
Acier au carbone Rayé (dommages mécaniques) Eau de mer aérée Élevé (le Ti se corrode au niveau des rayures) Isolation électrique du Ti de l'acier. Utilisez des rondelles en caoutchouc ou en nylon.
Acier au carbone Tout désaéré (sans oxygène)Très élevé (Ti actifIsolation électrique. L'O2 n'est pas nécessaire pour que le Ti se corrode uniformément.
Acier au carbone intact Acide dilué (pH 4-6) Modéré (l'acier rouillera rapidement) Isolation électrique. L'acier se brisera rapidement. Utilisez un récipient en plastique.
Acier au carbone Endommagé (agression chimique) Acide dilué Très élevé (Ti est sujet à la corrosion aux sites de défauts) Isolation nécessaire immédiatement. remplacer le radiateur endommagé
Acier inoxydable (cathodique au Ti en état passif) Tout Tout Faible à modéré (Ti quelque peu anodique) Généralement OK. Couplage inverse moins sévère.
Atténuations techniques de l'inversion galvanique
Si le radiateur en titane présente des dommages superficiels et doit être utilisé dans un réservoir en acier au carbone, il doit être isolé électriquement. Au niveau des brides de montage, le circuit galvanique est interrompu par des bagues en nylon ou en PTFE, des joints en caoutchouc et des raccords-unions non -conducteurs. Le courant galvanique doit être inférieur à 1 µA, ce qui signifie que la résistance d'isolement doit être supérieure à 1 MΩ. Une deuxième atténuation consiste à fixer une anode sacrificielle (zinc ou aluminium) au réchauffeur de titane, qui retient le titane à un potentiel cathodique même si l'oxyde est endommagé. Le titane ne se dissout pas. L'anode sacrificielle se dissout. Une troisième atténuation est la passivation anodique périodique. En appliquant un potentiel anodique court (+0.5 V contre SCE pendant 10 min une fois par semaine), la couche d'oxyde endommagée est réparée en faisant pousser du nouveau TiO₂ sur les endroits rayés, en restaurant le potentiel noble et en inversant le couple galvanique en mode anode en acier -.

Conclusion : les dommages causés par l'oxyde inversent le courant galvanique et augmentent la corrosion du Ti de 100 à 1 000 fois.
La connexion galvanique du radiateur en titane à l'acier au carbone, alors que le film d'oxyde est intact, entraîne des densités de courant de 0,1 à 1,0 µA/cm², l'acier se corrodant comme l'anode. Si l'oxyde est endommagé par une rayure, une abrasion ou une attaque chimique, le courant galvanique s'inverse et se concentre sur la zone endommagée avec des densités de courant de 100 à 1 000 µA/cm². Le couple galvanique inverse corrode localement le titane à une vitesse de 0,5-2 mm/an à l'endroit du dommage, provoquant la perforation d'un élément chauffant mural de 1,5 mm en quelques semaines, voire mois. Dans toute application où des dommages à la surface du radiateur sont probables, la séparation électrique du titane et de l'acier au carbone est obligatoire. Lors de l'installation d'un réchauffeur en titane dans un réservoir en acier au carbone, un matériel de montage non conducteur et des contrôles périodiques de la résistance d'isolation sont nécessaires pour éviter une défaillance prématurée du réchauffeur due à une inversion galvanique.