เมื่อเลือกเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมที่ทนทานต่อการกัดกร่อน-สำหรับการใช้งานในน้ำทะเล ความเสถียรของชั้นออกไซด์ของพื้นผิวจะปรับเปลี่ยนประสิทธิภาพ-ในระยะยาวได้อย่างไร

Metallic immersion heaters are one of the hardest electrolyte medium in sea water. In a chloride rich environment (about 19,000 ppm) in the presence of dissolved oxygen, different pH and biofouling potential most engineering alloys will rapidly degrade. The remarkable corrosion resistance of titanium in seawater is related to the spontaneously produced and thermodynamically stable TiO 2 passive layer, which is usually 2-5 nm thick . But the long term performance of a titanium heating tube in seawater depends not only on the inherent qualities of the base metal but also on the stability of this oxide layer under cyclic thermal and electrochemical stress. If the oxide is stable, it will give you decades of trouble free service. If it is unstable, localized pitting, hydrogen absorption and untimely failure will result. Formation and Destruction Mechanisms of Oxide Films in Marine Service Titanium spontaneously develops a passive layer in contact with oxygenated sea water. Stability is defined by three parameters, the electrochemical potential at the tube surface, the local pH at the metal-fluid interface and the temperature gradient in the sheath. Ideally, if the oxide is mechanically damaged, it will heal itself in seconds. But the difference in thermal expansion between the oxide and the metal substrate leads to micro-strains when a titanium heater is cycled between ambient and severe temperatures (e.g. 25°C to 80°C in a seawater tank). Repeated cycling can generate nano-scale cracks, exposing fresh titanium. If the surrounding seawater has a low level of dissolved oxygen (such as in stagnant areas, or underneath biofilms) repassivation is very slow, and the exposed metal starts to corrode locally. The activity of sulfate reducing bacteria reduces the local pH further to 4-5 and enhances oxide solubility. How heater performance deteriorates with time due to oxide instability The deterioration oxide layer is not leading to rapid failure but it is leading to detectable changes in the behavior of the heater. First, the corrosion potential of the titanium tube (E corr ) shifts from the passive area (typically +0.1 to +0.3 V vs. SCE) to active values (less than -0.3 V vs. SCE). This evolution can be monitored periodically using electrochemical measurements. Second, localised breakdown of the oxide allows access of chloride ions to the metal substrate and induces metastable pitting. Each metastable pit event gives rise to a small current transient which can be measured but has not yet pierced the wall. Third, after the stable pits are produced, the heat transfer area is reduced, thus increasing the local heat flow at the remaining intact oxide. The higher flux raises the temperature of the metal and further deteriorates the oxide in a positive feedback loop. Data from seawater cooled heat exchangers suggests that a 20% drop in the oxide stability (i.e., an increase in the passive current density) corresponds to a 35% loss in the remaining tube life. Oxide Management with a Scenario Based Strategy The following table is a decision guide for selection and maintenance of titanium heaters according to service circumstances in seawater and priorities for oxide stability. Scenario & Main Concern of Seawater UsageProposed Improvement on Oxide Stability Basic Rationale & Change in Performance High flow (>1 ม./วินาที) การให้ความร้อนด้วยน้ำทะเลแบบวงเปิดแบบเติมอากาศอย่างต่อเนื่อง ไทเทเนียมเกรด 2 เมื่อดึงออกมาโดยไม่ใช้การบำบัดพื้นผิวยังคงมีออกไซด์ธรรมชาติอยู่ ออกซิเจนมีอยู่สูง การเคลื่อนไหวป้องกันความเมื่อยล้า ไม่จำเป็นต้องปรับปรุงอีกต่อไป ถังน้ำทะเลที่มีอัตราการไหลต่ำหรืออยู่กับที่ (ท่าเรือ เครื่องทำน้ำร้อนบัลลาสต์) การทำทู่แบบขั้วบวกหรือท่อพรี-ออกซิไดซ์ (สีความร้อนที่ 400 C) ออกไซด์เทียมที่มีความหนา (สูงถึง 50 นาโนเมตร) สามารถอยู่รอดได้ภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ ทนต่อความร้อนได้สูงขึ้นเล็กน้อย การฉีดน้ำทะเลทางชีวภาพและคลอรีนแบบช็อตเป็นระยะ ๆ ไทเทเนียมเคลือบด้วยโลหะมีตระกูล (แพลเลเดียม 0.5 µm) Pd เร่งการซึมผ่านของออกไซด์หลังจากการสัมผัสกับ Cl เปลี่ยนโหมดความล้มเหลวจากการเจาะเป็นหลุมเป็นการละลายสม่ำเสมอ อัตราการระเหยเร็ว น้ำเกลือ (70-90 องศา )การป้องกันแคโทดิกของฮีตเตอร์ (-0.6 V เทียบกับ Ag/AgCl)ความเสถียรของออกไซด์โดยแลกกับแรงดันไฟฟ้าภายนอกที่สูงกว่าอุณหภูมิวิกฤต จะต้องตรวจสอบกระแสการป้องกันเป็นครั้งคราว ปัจจัยการออกแบบสำหรับความน่าเชื่อถือในระยะยาว (เพิ่มเติม) ความหนาของผนังมีความสำคัญน้อยกว่าความเสถียรของน้ำทะเลของออกไซด์ ไม่ว่าท่อจะหนาแค่ไหน ท่อที่มีออกไซด์ที่ไม่เสถียรจะทะลุผ่านได้ภายในเวลาไม่กี่เดือน ในทางตรงกันข้าม ท่อที่มีความคงตัวของออกไซด์ที่ดีและผนังบาง (0.6 มม.) อาจคงอยู่ได้นานหลายปีในน้ำทะเลที่สะอาด จำเป็นต้องทำความสะอาดเป็นประจำเพื่อกำจัดแผ่นชีวะออก เพื่อรักษาระดับออกซิเจนละลายน้ำให้สูงกว่า 5 ppm และเพื่อป้องกันการป้องกันแคโทดมากเกินไป (ซึ่งอาจส่งเสริมการดูดซึมไฮโดรเจน) หากคุณกำลังระบุเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมสำหรับใช้ในน้ำทะเล ให้ขอข้อมูลอิเล็กโทรเคมีอิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปี (EIS) ที่แสดงความต้านทานของฟิล์มพาสซีฟในน้ำเค็มสังเคราะห์ที่อุณหภูมิการทำงานที่ระบุ ข้อมูลจำเพาะ-ที่ขับเคลื่อนด้วย ในการเลือกเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมที่ทนต่อการกัดกร่อนสำหรับน้ำทะเล จะต้องเปลี่ยนจากคุณสมบัติของโลหะเทกองไปเป็นคุณสมบัติของออกไซด์ของพื้นผิว ท่อมาตรฐานเกรด 2 ออกไซด์ธรรมชาติมีประสิทธิภาพในการใช้งานที่มีอัตราการไหลสูงและมีอากาศถ่ายเท การเคลือบโลหะก่อนออกซิเดชั่นหรือโลหะมีตระกูลจะปรับเปลี่ยนโหมดความล้มเหลวจากการเกิดรูพรุนอย่างรวดเร็วในสภาวะนิ่ง ร้อน หรือสกปรกทางชีวภาพ ไปสู่การผอมบางที่คงที่และคาดการณ์ได้ รวมการควบคุมความเสถียรของออกไซด์เข้ากับช่วงเวลาการทำความสะอาดที่เหมาะสมและการตรวจสอบออกซิเจนที่ละลายในน้ำ วิธีการนี้จะเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมจากองค์ประกอบแบบพาสซีฟไปเป็นส่วนประกอบที่มีอายุการใช้งานยาวนานที่สามารถคาดเดาได้ภายใต้สภาพแวดล้อมทางทะเล