Газовая коррозия

 

 

Реферат

на тему «Газовая коррозия»

по курсу «Коррозия, коррозионностойкие материалы и покрытия»

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

 

Введение 3

1 История  явления коррозии 5

2 Физическая  природа явления газовой коррозии 7

3 Материалы  и детали, подверженные газовой  коррозии 15

3.1 Коррозийные  свойства топлива 15

3.2 Высокотемпературная  газовая коррозия 17

3.3Деградационные процессы, протекающие в трубчатой печи                17

4 Способы  защиты металлов от газовой  коррозии 20

5 Перспективы  борьбы с газовой коррозией 23

Заключение 24

Библиографический список 25

 

 

Введение

 

В наши дни металлы в  качестве конструкционных материалов играют ведущую роль во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их различные свойства – прочность и пластичность, высокая электропроводность, теплопроводность, металлический блеск, хорошая обрабатываемость и др. – обеспечивают им универсальное применение в качестве конструкционных материалов. Но металлы в той или иной степени химически активны и при контакте с природной внешней средой или с технологическими средами подвергаются разрушению. Такое самопроизвольное разрушение металлов под воздействием физико-химических факторов внешней среды называют коррозией («corrodere» – по-латыни – «разъедать»).

Общая масса металла, используемого  одновременно в различных объектах техники, то есть металлический фонд, заключенный в разнообразных конструкциях, составляет несколько миллиардов тонн, и он непрерывно возрастает из года в год. В связи с ростом объема используемого металла растут и общие потери металла от коррозии, достигая таких масштабов, что становятся сравнимыми с затратами на развитие крупнейших отраслей промышленности [1].

Ущерб, причиняемый коррозией, может быть разделен на две категории. Первая — прямые потери: затраты  при ремонте оборудования, замене поврежденных элементов и т. п.; вторая — косвенные потери, связанные  с простоем ремонтируемого и сопряженного с ним оборудования, ухудшением качества выпускаемой продукции в результате ее загрязнения, увеличением расхода  топлива, материалов, энергии. Средние  ежегодные потери, связанные с  коррозионными повреждениями оборудования, для промышленно развитых стран  достигают 3–10 % валового продукта. Влияние  коррозионных повреждений на надежность и безопасную эксплуатацию оборудования можно проиллюстрировать следующим  примером. По данным фирмы «Du Pont» (США) в 247 случаях выхода из строя оборудования этой фирмы из 313, или 79 % аварий, произошли по причине коррозионных повреждений. При этом на долю общей коррозии пришлось 31,5 % случаев, на коррозионное растрескивание (стресс-коррозию) — 21,6 % случаев, питтинговая коррозия стала причиной 15,7 % выходов оборудования из строя, а межкристаллитная коррозия явилась причиной аварий в 10,2 % случаев [2].

Одним из важных источников загрязнения окружающей среды является коррозионное разрушение трубопроводов, транспортирующих различные коррозионно-активные вещества, например газы, нефть, или продукты их химической переработки. Протяженность трубопроводов, используемых для транспортных целей, непрерывно возрастает, что связано с бесспорным их преимуществом перед всеми существующими способами транспортировки нефтепродуктов. В то же время увеличение протяженности трубопроводов приводит к повышению возможности их разрушения в результате коррозии, а значит, и к возрастанию загрязнения окружающей среды вследствие разлива транспортируемых веществ. Коррозия трубопроводов, по которым транспортируются газы или нефтепродукты бывает причиной крупных катастроф и порождает чрезвычайные ситуации.

Особенно остро стоят  проблемы коррозии и защиты металлов от нее в различных отраслях добывающей и химической промышленности. В связи с этим защита от коррозии в этих отраслях имеет особенно актуальное значение, так как потери от нее оказываются весьма значительными. [1].

 

1 История явления коррозии

 

Металлы составляют одну из основ  цивилизации на планете Земля. Среди  них как конструкционный материал явно выделяется железо. Объем промышленного  производства железа примерно в 20 раз  больше, чем объем производства всех остальных металлов, вместе взятых. Широкое внедрение железа в промышленное строительство и транспорт произошло  на рубеже XVIII...XIX вв. В это время появился первый чугунный мост, спущено на воду первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы первые железные дороги. Однако начало практического использования человеком железа относят к IX в. до н.э. Именно в этот период человечество из бронзового века перешло в век железный. Тем не менее, история свидетельствует о том, что изделия из железа были известны в Хеттском царстве (государство Малой Азии), а его расцвет относят к XIV...XIII вв. до н.э.

В природе, хотя и очень редко, но встречается самородное железо. Его  происхождение считают метеоритным, т.е. космическим, а не земным. Поэтому  первые изделия из железа (они изготавливались  из самородков) ценились очень высоко – гораздо выше, чем из серебра  и даже золота.

Несмотря на широкое внедрение  в нашу сегодняшнюю жизнь полимерных материалов, стекла, керамики, основным конструкционным материалом продолжает оставаться железо и сплавы на его  основе. С изделиями из железа мы на каждом шагу встречаемся в быту и знаем, как много хлопот доставляют его ржавление и сама ржавчина. Ржавлением называют только коррозию железа и его сплавов. Другие металлы  корродируют, но не ржавеют. Хотя корродируют практически все металлы, в повседневной жизни человек чаще всего сталкивается с коррозией железа.

Строгие расчеты показывают, что  большинство металлов имеет склонность к коррозии. Поэтому удивительно  не то, что металлы корродируют, а то, что изделия из них могут существовать длительное время. Скорость, с которой протекает коррозия, не поддается теоретическому вычислению. Как правило, она определяется опытным путем. Скорость прежде всего зависит от характера образующихся продуктов коррозии и прочности их сцепления с металлом [3].

 

 

2 Физическая природа явления газовой коррозии

 

 

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 [1].

Одним из наиболее распространенных видов химической коррозии является газовая коррозия. Она возникает  на поверхности металлов в отсутствие влаги, т. е. в условиях, когда электрохимические процессы развиться не могут. Это либо коррозия металлов в ходе их термической обработки, либо коррозия в сухих газах при нормальной температуре.

Поведение металлов при высоких  температурах имеет важное практическое значение. Повреждения поверхности  металлов и сплавов при термической  обработке могут достигать глубин до нескольких миллиметров и приводить  к значительному увеличению объема последующей механической обработки. Основным показателем, определяющим стойкость  металла и сплава против окисления  при высокотемпературном нагреве, является жаростойкость, т. е. способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газа.

Первопричиной химической коррозии металлов и сплавов является их термодинамическая  неустойчивость в различных средах при данных внешних условиях, т. е. самопроизвольный переход металла в более устойчивое - окисленное - состояние, которое достигается в результате реакции:

 

металл

+

окислительный компонент  среды

=

продукт реакции

за счет соответствующего уменьшения термодинамического потенциала этой системы.

Основными факторами, определяющими  скорость газовой коррозии, являются температура и состав газовой  среды. Влияние температуры на скорость газовой коррозии приближенно описывается  уравнением Аррениуса:

lnК = A – B/Т,

где К — скорость реакции (коррозии),

А и В — константы,

Т — температура (К).

При химическом взаимодействии углеродистых сталей с кислородом воздуха  на поверхности образуется окалина  — оксидная пленка, в состав которой  при умеренно высоких температурах входят гематит — Fe₂O₃ и магнетит — Fe₃O₄, при более высоких температурах нагрева (более 575 °С) на поверхности раздела окалина—металл возникает еще один оксид железа — вюстит — (FeO) [2]. На железе, стали, чугунах окалина имеет сложное строение: часто она состоит из трех слоев (рис.1) с разной концентрацией кислорода и степенью окисления железа (рис.2) [1]. Одновременно с процессом окисления железа идет процесс обезуглероживания поверхности стали — Fe₃C + O₂ → 3Fe + CO₂, в результате чего цементитная фаза «вымывается» с поверхности стали. При увеличении времени нагрева глубина обезуглероженного слоя увеличивается и может достигнуть нескольких миллиметров, что приведет к снижению прочности и твердости поверхности обрабатываемого изделия [2].

 

 

 

Рис. 1. Слоистое строение окалины, образующейся на железе при его окислении на воздухе при повышенной температуре

Рис. 2. Схема слоистого строения окалины, образующейся на железе при его окислении на воздухе при повышенной температуре [1]

 

Слоистость окалины наблюдается  вследствие убывания концентрации кислорода  в пленке окалины по мере приближения  к металлу, так как каждый из слоев  представляет барьер на пути диффузии кислорода к металлу. При окислении сплавов состав окалины может быть переменным,  по толщине слоя окалины соотношение компонентов сплава может изменяться по сложному закону (рис. 3). Переменными по составу оказываются  и слои окалины и при сульфидной коррозии в расплаве серы, например при коррозии ковара (сплав Fe+Co+Ni).

Рис.3. Распределение никеля, хрома и магния по сечению окалины  на сплаве Ni-10% Cr-0,5% Mg после окисления в течение 10 часов [1]

 

Кроме изменения температуры  на скорость химической коррозии влияет давление газовой среды. С повышением давления скорость коррозии резко возрастает вследствие наличия в газовой  среде водорода, который при повышенном давлении вызывает водородное охрупчивание стали.

Большинство металлов при  взаимодействии с кислородом воздуха  или другими окислителями покрываются  пленкой химического соединения. Первой стадией этого процесса является адсорбция окислительного компонента среды (O₂, H₂O, CO₂, SO₂ и т. п.) на поверхности металла. В таблице 1 приведена стандартная энтальпия образования оксидов и энтальпия адсорбции кислорода на ряде металлов. Эти данные указывают на химическую природу связи между адсорбатом и адсорбентом — хемосорбцию атомов кислорода на поверхности металла. Связь, возникающая между кислородом и поверхностными атомами металла, — ионная. Она оказывается значительно сильнее, чем связь, возникающая между этими элементами в оксиде, т. к. за счет энергии поляризации на атом кислорода оказывает воздействие поле, создаваемое нижележащими атомами металла.

Таблица 1

 Энтальпии образования оксидов и адсорбции кислорода на металлах

Металл	Оксид	Стандартная энтальпия   образования оксида,  кДж/моль О2	Энтальпия  адсорбции О2 ,   кДж/моль О2
Серебро	Ag2O	–61,9	–225,7
Палладий	PdO	–175,6	–100,3
Медь	Cu2O	–334,4	–501,6
Кобальт	CoO	–476,5	–501,6
Никель	NiO	–480,7	–627,0
Вольфрам	WO2	–585,2	< (–627,0)

 

После насыщения поверхности  металла хемосорбированным окислителем, происходящего практически мгновенно, на поверхности металла возникает монослой окислителя. При наличии химического сродства между металлом и окислителем (термодинамической стабильности оксида) хемосорбированная пленка быстро переходит в состояние оксидной пленки в результате протекания химической реакции:

mMe (т) + 1/2 mn O₂ (адс) = mMe⁺ + 1/2 mn O^2– = Me_mO_mn/2 (т).

Таким образом, при химическом взаимодействии окислительный компонент  среды вступает с металлом во взаимодействие и образует химическое соединение, которое в большинстве случаев  располагается на поверхности металла  в виде пленки. Образование пленки продуктов коррозии на поверхности  металла приводит к эффекту самоторможения процесса коррозии во времени в том  случае, если пленка образует достаточно плотный слой, замедляющий транспортировку  окислителя к поверхности металла. Толщина таких пленок может изменяться в широких пределах и (в зависимости  от толщины слоя) подразделяется на три группы:

1 - тонкие (невидимые) пленки толщиной от 0,1 до 40 нм;

2 - средние (дающие цвета побежалости — таблица 2), толщина которых от 40 до 500 нм;

3 - толстые (видимые) пленки, толщина которых свыше 500 нм и во многих случаях, как, например, в случае окисления углеродистых сталей, может достигать нескольких миллиметров.

Таблица 2

Цвета побежалости материалов