Применение материалов: высокотемпературная коррозия
Поскольку требования к характеристикам металлов имеют тенденцию к увеличению с повышением температуры, то же самое происходит и с типами коррозионных воздействий, которым металл может подвергнуться. Когда мы думаем о важных отраслях и сферах применения, которые с наибольшей вероятностью столкнутся с комбинированным воздействием высокой температуры и агрессивной среды, на ум приходят следующие важные:
Газовые и паровые турбины
Термообработка
Обработка минералов
Химическая обработка
Целлюлозно-бумажная промышленность
Сжигание отходов
Производство электроэнергии на ископаемом топливе
Высокотемпературная коррозия - это форма коррозии, которая не требует наличия жидкого электролита. Следует учитывать некоторые важные формы высокотемпературной коррозии, которые часто вызывают проблемы с оборудованием:
Коррозия золы / солевых отложений
Науглероживание
Галогенная коррозия
Металлическая пыль
Коррозия расплавленного металла
Коррозия расплавленной соли
Азотирование
Окисление
Сульфидирование
Окружающая среда часто классифицируется как окисляющая или восстанавливающая, в зависимости от уровня присутствующего кислорода. Окислительная атмосфера обычно содержит избыток свободного кислорода; восстановительная атмосфера обычно имеет очень низкую активность кислорода. Восстановление атмосферы обычно увеличивает коррозионный эффект сульфидирования, науглероживания, азотирования или коррозии золы / солевых отложений. Горячая коррозия и коррозия топлива / золы обычно связаны с отложениями жидких солей, которые разрушают защитную оксидную окалину на поверхности металла.
Коррозия золы / солевых отложений
В некоторых промышленных процессах зола и соли осаждаются на поверхности компонентов процесса. В некоторых случаях отложения представляют собой окалину, которая приводит к реакциям между золой / солью и защитным оксидным слоем на металлическом сплаве или иным образом снижает оксидный слой. Когда оксидный слой восстанавливается, расходуется немного больше металла подложки. Любая пробой этого защитного оксидного слоя материала уменьшает ' сопротивление коррозии с к, и / или потребляет металл и уменьшает толщину стенки, в конечном итоге приводит к отказу.
Науглероживание
Науглероживание происходит в результате воздействия на металл углеродсодержащих сред, включая CO, CH4 или другие углеводородные газы, при повышенных температурах. Науглероживание часто вызывает охрупчивание сплава или ухудшение других механических свойств. Технологические и нефтехимические трубопроводы являются примерами того, где необходимо учитывать дизайн и материалы для потенциального развития науглероживания.
Включение хрома или никеля в сплав помогает создать барьер, препятствующий проникновению углерода в металл. Кремний создает слой SiO2, который может ограничивать проникновение углерода, а ниобий можно использовать для создания карбида, который связывает атомы углерода в стабильной форме.
Иногда материалы намеренно науглероживают для повышения твердости и износостойкости. Этот процесс со временем требует затрат, поскольку некоторые механические свойства снижаются и материал расходуется.
Галогенная коррозия
Многие металлы легко реагируют с газообразными галогенами (фтор, хлор, бром, йод и астат) при повышенных температурах с образованием летучих галогенидов металлов. Эти материалы могут подвергаться сильной высокотемпературной коррозии. Промышленные процессы, в которых топливо или сырье загрязнены примесями, такими как натрий или калий, позволяют галогенам реагировать с этими примесями с образованием NaCl и KCl. Нержавеющие стали очень подвержены коррозии в газообразном фторе при температурах до 570 ° F / 300 ° C.
Металлическая пыль
Металлическая пыль - это форма науглероживания, которая происходит в высокотемпературных средах, где углерод присутствует в таких формах, как CO, CH4 или другие углеводородные газы. Это обычное явление для оборудования, используемого для термической обработки, такого как реторты печи, корзины, вентиляторы и т. Д. Через год эксплуатации могут возникнуть серьезные повреждения, часто на границе раздела между металлом и огнеупорами. Результат - точечная коррозия металла и утонение профилей.
Сплавы, которые, как было установлено, страдают от металлической пыли, включают углеродистые стали, Cr-Mo-стали, нержавеющие стали, сплавы Fe-Ni-Cr, а также сплавы на основе железа и никеля. В сплавы обычно добавляют медь, кремний и хром, а также алюминий, чтобы обеспечить сопротивление металлической пыли. Есть компромиссы, так как добавление легирующих элементов увеличивает стоимость и может привести к потере некоторых механических свойств.
Коррозия расплавленного металла
Жидкие металлы часто используются в качестве теплоносителя (например, использование жидкого натрия в ядерных реакторах). Материал защитной оболочки, контактирующий с расплавленным металлом, подвержен коррозии расплавленного металла. Лучше всего подумать о том, как расплавленные металлы будут реагировать с материалом в системе защитной оболочки. Например, расплавленный алюминий разрушает сплавы на основе железа, никеля и кобальта. Расплавленный цинк или свинец реагирует со сплавами на основе никеля, но расплавленный свинец может содержаться в чугуне, сталях и нержавеющих сталях.
Коррозия расплавленной соли
Расплавленные соли используются в таких отраслях, как термическая обработка, ядерная энергия, концентрированная солнечная энергия (где расплавленная соль обеспечивает аккумулирование тепла и передачу тепла) и извлечение химически активных металлов. Как и коррозия расплавленного металла, защитный материал, который контактирует с расплавленной солью, подвержен коррозии. Расплавленные соли удаляют оксидную окалину с металлических поверхностей, поэтому коррозия может принимать форму равномерного утончения, точечной коррозии или межкристаллитного воздействия.
Азотирование
Металлы подвержены азотированию при воздействии сред, содержащих аммиак или азот, при повышенных температурах. Во время азотирования сплав поглощает азот из окружающей среды и приводит к получению твердого и хрупкого металла с потерей металла и прочности.
Аустенитные нержавеющие стали используются для технологического оборудования в средах, содержащих аммиак. Если нержавеющая сталь подвергается воздействию агрессивных сред (например, более высоких температур или более высоких концентраций аммиака), можно использовать сплавы на основе никеля. Никель - наиболее эффективный легирующий элемент, улучшающий сопротивление азотированию. Керамика может быть выбранной альтернативой металлу в этих применениях, но ей не хватает пластичности, и ее трудно изготовить. Однако при контроле итоговая твердость и износостойкость, вызванные азотированием, могут быть полезными.
Окисление
Окисление является наиболее важной реакцией высокотемпературной коррозии и часто присутствует даже тогда, когда преобладают другие формы коррозии. Создание оксидного слоя создает защитную окалину, которая помогает противостоять многим типам коррозии. Таким образом , уменьшая среды - там , где нет избытка свободного кислорода - мешает металл ' ы тенденции к генерации окалины и , как правило , более чувствительны к коррозии. Скорость окисления металлов увеличивается с повышением температуры.
Многие проблемы окисления возникают, когда сплав используется в температурном диапазоне, превышающем его возможности. Окисление этого типа может привести к образованию накипи и внутренних пустот, которые влияют на целостность и структурную способность материала.
Окисление в воздухе может происходить во многих промышленных процессах. Например, печи для термообработки часто нагреваются за счет электрического сопротивления, так что сплавы окисляются кислородом воздуха. Во многих промышленных процессах тепло вырабатывается при сгорании, например при смешивании воздуха с природным газом. Сплавы в этих средах могут окисляться кислородом воздуха, но другие продукты сгорания, такие как H2O и CO2, также могут влиять на реакцию окисления.
Сульфидирование
Сера обычно присутствует в сырой нефти в виде естественной примеси. Когда горение происходит с избытком воздуха, сера в топливе реагирует с кислородом с образованием SO2 или SO3. Сульфидная коррозия приводит к утонению стенок компонентов, труб или трубопроводов или сосудов под давлением. Выход из строя этих компонентов может иметь катастрофические последствия с выделением больших объемов горючего газа при разрыве.
В большинстве случаев металлы полагаются на оксидную окалину, чтобы противостоять сульфидированию. Среда горения, образующаяся при сжигании отходов, может содержать серу, хлор, цинк, свинец и калий. При температурах сжигания необходимы сплавы, устойчивые как к сульфидированию, так и к воздействию хлоридов.
Заключение
Различные среды способствуют сплаву ' ы устойчивости к коррозии при повышенных температурах. Часто материал, который хорошо работает против одних типов атак, уступает другим. Таким образом, четкое понимание окружающей среды в целом поможет выбрать наиболее эффективный и экономичный материал.
