Химическая коррозия в котельных установках

Введение 

Корро́зия (от лат. corrosio — разъедание) — это  самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или  физико-химического взаимодействия с окружающей средой. В общем случае это — разрушение любого материала  — будь то металл или керамика, дерево или полимер. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. Пример — кислородная коррозия железа в воде: 

4Fe + 2Н₂О + ЗО₂ = 2(Fe₂O₃•Н₂О) 

    В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление». Менее известны случаи коррозии полимеров. Применительно к ним существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Например, старение резины из-за взаимодействия с кислородом воздуха или разрушение некоторых пластиков под воздействием атмосферных осадков, а также биологическая коррозия. Скорость коррозии, как и всякой химической реакции очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков.

    Коррозионные  процессы отличаются широким распространением и разнообразием условий и  сред, в которых она протекает. Поэтому нет единой и всеобъемлющей  классификации встречающихся случаев  коррозии.

    Коррозионные  процессы отличаются широким распространением и разнообразием условий и  сред, в которых она протекает. Поэтому нет единой и всеобъемлющей  классификации встречающихся случаев  коррозии. Главная классификация  производится по механизму протекания процесса. Различаются два вида: химическую коррозию и электрохимическую коррозию. В данном реферате подробно рассматривается химическая коррозия на примере судовых котельных установках малых и больших мощностей.

   Коррозионные  процессы отличаются широким распространением и разнообразием условий и сред, в которых она протекает. Поэтому нет единой и всеобъемлющей классификации встречающихся случаев коррозии.

По типу агрессивных сред, в которых протекает  процесс разрушения, коррозия может  быть следующих видов: 

1. -Газовая  коррозия
2. -Коррозия в неэлектролитах
3. -Атмосферная коррозия
4. -Коррозия в электролитах
5. -Подземная коррозия
6. -Биокоррозия
7. -Коррозия блуждающим током.

 

По условиям протеканию коррозионного процесса различаются следущие виды: 

1. -Контактная  коррозия
2. -Щелевая коррозия
3. -Коррозия при неполном погружении
4. -Коррозия при полном погружении
5. -Коррозия при переменном погружении
6. -Коррозия при трении
7. -Коррозия под напряжением.

 

По характеру  разрушения:

Сплошная коррозия, охватывающая всю поверхность:  

1. -равномерная;
2. -неравномерная;
3. -избирательная.

Локальная(местная) коррозия, охватывающая отдельные участки:

1. -пятнами;
2. -язвенная;
3. -точечная(или питтинг);
4. -сквозная;
5. -межкристаллитная.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Химическая коррозия 

    Представим  себе металл в процессе производства металлического проката на металлургическом заводе: по клетям прокатного стана движется раскаленная масса. Во все стороны от нее разлетаются огненные брызги. Это с поверхности металла скалываются частички окалины – продукта химической коррозии, возникающего в результате взаимодействия металла с кислородом воздуха. Такой процесс самопроизвольного разрушения металла из-за непосредственного взаимодействия частиц окислителя и окисляемого металла, называется химической коррозией.

    Химическая  коррозия - взаимодействие поверхности металла с (коррозионно-активной) средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом:

4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

При электрохимической  коррозии ионизация атомов металла  и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла (например, ржавление стали в морской воде).

    При химической коррозии окисление металла  и восстановление окислительного компонента коррозионной среды происходят одновременно. Такая коррозия наблюдается при действии на металлы сухих газов (воздуха, продуктов горения топлива) и жидких не электролитов (нефти, бензина и т. д.) и представляет собой гетерогенную химическую реакцию.

    Процесс химической коррозии происходит следующим образом. Окислительный компонент внешней среды, отнимая у металла валентные электроны, одновременно вступает с ним в химическое соединение, образуя на поверхности металла пленку (продукт коррозии). Дальнейшее образование пленки происходит за счет взаимной двусторонней диффузии через пленку агрессивной среды к металлу и атомов металла по направлению к внешней среде и их взаимодействия. При этом если образующаяся пленка обладает защитными свойствами, т. е. препятствует диффузии атомов, то коррозия протекает с самоторможением во времени. Такая пленка образуется на меди при температуре нагрева 100 °С, на никеле - при 650, на железе - при 400 °С. Нагрев стальных изделий выше 600 °С приводит к образованию на их поверхности рыхлой пленки. С повышением температуры процесс окисления идет с ускорением.

    Наиболее  распространенным видом химической коррозии является коррозия металлов в газах при высокой температуре - газовая коррозия. Примерами такой  коррозии являются окисление арматуры печей, деталей двигателей внутреннего сгорания, колосников, деталей керосиновых ламп и окисление при высокотемпературной обработке металлов (ковке, прокате, штамповке). На поверхности металлоизделий возможно образование и других продуктов коррозии. Например, при действии сернистых соединений на железе образуются сернистые соединения, на серебре при действии паров йода - йодистое серебро  и т. д. Однако чаще всего на поверхности металлов образуется слой оксидных соединений.

      Большое влияние на скорость химической коррозии оказывает температура. С повышением температуры скорость газовой коррозии увеличивается. Состав газовой среды оказывает специфическое влияние на скорость коррозии различных металлов. Так, никель устойчив в среде кислорода, углекислого газа, но сильно корродирует в атмосфере сернистого газа. Медь подвержена коррозии в атмосфере кислорода, но устойчива в атмосфере сернистого газа. Хром обладает коррозионной стойкостью во всех трех газовых средах.

      Для защиты от газовой коррозии используют жаростойкое легирование хромом, алюминием и кремнием, создание защитных атмосфер и защитных покрытий алюминием, хромом, кремнием и жаростойкими эмалями. 
 

2. Химическая коррозия в судовых паровых котлах. 

   Виды  коррозии. В процессе работы элементы парового котла подвергаются воздействию агрессивных сред - воды, пара и дымовых газов. Различают коррозию химическую и электрохимическую. 

   Химической  коррозии подвержены детали и узлы машин, работающих при высоких температурах, — двигатели поршневого и турбинного типа, ракетные двигатели и т. п. Химическое сродство большинства металлов к кислороду при высоких температурах почти неограниченно, так как оксиды всех технически важных металлов способны растворяться в металлах и уходить из равновесной системы: 

                                            2Ме(т) + O₂(г)           2МеО(т);

                                                  МеО(т)         [МеО] (р-р) 

В этих условиях окисление всегда возможно, но наряду с растворением оксида появляется и оксидный слой на поверхности металла, который может тормозить процесс окисления.

   Скорость  окисления металла зависит от скорости собственно химической реакции  и скорости диффузии окислителя через  пленку, а поэтому защитное действие пленки тем выше, чем лучше ее сплошность и ниже диффузионная способность. Сплошность пленки, образующейся на поверхности металла, можно оценить по отношению объема образовавшегося оксида или другого какого-либо соединения к объему израсходованного на образование этого оксида металла (фактор Пиллинга—Бэдвордса). Коэффициент a (фактор Пиллинга — Бэдвордса) у разных металлов имеет разные значения. Металлы, у которых a<1, не могут создавать сплошные оксидные слои, и через несплошности в слое (трещины) кислород свободно проникает к поверхности металла.

   Сплошные  и устойчивые оксидные слои образуются при a = 1,2—1,6, но при больших значениях a пленки получаются несплошные, легко отделяющиеся от поверхности металла (железная окалина) в результате возникающих внутренних напряжений. 

   Фактор  Пиллинга — Бэдвордса дает очень приближенную оценку, так как состав оксидных слоев имеет большую широту области гомогенности, что отражается и на плотности оксида. Так, например, для хрома a = 2,02 (по чистым фазам), но пленка оксида, образующегося на нем, весьма устойчива к действию окружающей среды. Толщина оксидной пленки на поверхности металла меняется в зависимости от времени. 
 

   Химическая  коррозия, вызванная паром или  водой, разрушает металл равномерно по всей поверхности. Скорость такой  коррозии в современных судовых  котлах низкая. Более опасна местная химическая коррозия, вызываемая агрессивными химическими соединениями, содержащимися в отложениях золы (серы, окислов ванадия и т. п.).

   Электрохимическая коррозия, как показывает ее название, связана не только с химическими  процессами, но и с передвижением электронов во взаимодействующих средах, т.е. с появлением электрического тока. Эти процессы происходят при взаимодействии металла с растворами электролитов, что и имеет место в паровом котле, в котором циркулирует котловая вода, представляющая собой раствор распавшихся на ионы солей и щелочей. Электрохимическая коррозия протекает также при контактировании металла с воздухом (при обычной температуре), содержащем всегда пары воды, которые конденсируясь на поверхности металла в виде тончайшей пленки влаги, создают условия для протекания электрохимической коррозии.

   Разрушение  металла начинается, по существу, с  растворения железа, заключающегося в том, что атомы железа теряют часть своих электронов, оставляя их в металле, и превращаются, таким  образом, в положительно заряженные ионы железа, переходящие в водный раствор. Этот процесс не происходит равномерно по всей поверхности омываемого водой металла. Дело в том, что химически чистые металлы обычно недостаточно прочны и поэтому в технике применяют преимущественно их сплавы с другими веществами, как известно, чугун и сталь являются сплавами железа с углеродом. Помимо этого, к конструкции стали добавляют в небольших количествах для улучшения ее качества кремний, марганец, хром, никель и др.

   По  форме проявления коррозии различают: коррозию равномерную, когда разрушение металла происходит примерно на одинаковую глубину по всей поверхности металла и коррозию местную. Последняя имеет три основные разновидности:

    1) язвенная коррозия, при которой  разъедание металла развивается в глубину на ограниченной площади поверхности, приближающейся к точечным изъявлениям, что особенно опасно для котельного оборудования (образование в результате такой коррозии сквозных свищей);

    2) избирательная коррозия, когда разрушается одна из составных частей сплава; например, в трубах конденсаторов турбин, изготовленных из латуни (сплав меди с цинком), при охлаждении их морской водой происходит удаление из латуни цинка, в результате чего латунь делается хрупкой;