Электрохимическая коррозия в котельных установках

 

 

 

РЕФЕРАТ

по спецхимии

на тему:

 

Электрохимическая коррозия в котельных установках

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

  Введение…………………………………………………………………... ……3

  1. Коррозия……………………………………………………………………...4

  1.1 Общие сведения…………………………………………………………….4

  1.2 Электрохимическая коррозия..……………………………………………7

  1.3  Коррозия оборудования…………………………………………………..14

  2. Современные способы предотвращения коррозии…….…………………17

  Заключение……………………………………………………………………..22

  Список использованных источников…………………………………………23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Коррозия (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.

В настоящий момент в энергетике, также и в теплоэнергетике как в отдельной ее составляющей существует много проблем. Одной из них является коррозия. Существует огромное количество ее видов, и она является серьезной причиной выхода из строя различного оборудования в энергетических системах. Важно понимать, что для лучшего производства энергии необходимо свести влияние коррозии до минимума. В своем реферате я расскажу о процессе коррозии, о ее видах (более подробно об электрохимической коррозии), влиянии, а также о методах ее предотвращения и устранения на примере котельных установок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. КОРРОЗИЯ

 

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Коррозия является одним из видов разрушения металла паровых котлов. Различают два вида коррозионных процессов: химические и электрохимические. В первом случае происходит процесс химического взаимодействия металла с окружающей средой, во втором – коррозия является результатом действия гальванических (коррозионных) пар, возникающих на поверхности металла при контакте его с водной средой.

Коррозия металла носит общий и локальный характер. При коррозии общей вся соприкасающаяся с агрессивной средой поверхность нагрева подвергается разъеданию, равномерно утоняясь с внутренней или наружной стороны труб. В случае локальной коррозии разрушение металла происходит на отдельных участках поверхности. Локальная коррозия в котлах может быть язвенной, точечной, межкристаллитной и транскристаллитной. В таблице 1 приведены данные по оценке скорости коррозии общей и локальной. При протекании локальной коррозии оборудование значительно быстрее выходит из строя, чем при общей равномерной коррозии, несмотря на меньшие по абсолютному значению потери металла.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1 Шкала оценки скорости коррозии

 

Характеристика коррозии	Скорость локальной коррозии, мм/год		Скорость общей      коррозии,  мм/год
	Среднее давление	Высокое давление	Среднее давление	Высокое давление
Коррозия очень слабая	0-0,05	0-0,05	0-0,02	0-0,02
Коррозия допустимая	0,10-0,15	0,20-0,30	0,04-0,05	0,08-0,10
Коррозия сильная	0,15-0,60	0,30-1,20	0,05-0,20	0,10-0,40

 

Коррозии подвержены обе стороны поверхности: внутренняя — со стороны рабочей среды (воды, пара, воздуха) и наружная — со стороны дымовых газов (теплоносителя). Так как видов коррозии, наблюдаемых в эксплуатации, множество, то в методических целях сделана попытка их систематизации. Для наглядности можно с некоторыми допущениями основные разновидности коррозии внутренних и внешних поверхностей нагрева представить в виде схемы на рис. 1. Продукты коррозии конструкционных материалов (оксиды железа, меди) частично остаются на прокорродировавшем металле, а частично переходят в воду и при определенных условиях откладываются на других элементах оборудования. Эти отложения зачастую представляют значительные термические сопротивления, вследствие чего температура металла под ними может подниматься до недопустимого уровня.

 

 

 

 

Рис 1. Систематизация основных видов коррозии поверхностей нагрева котлов

 

 

 

1.2 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ

 

Электрохимическая коррозия - самый распространенный вид коррозии.  Электрохимическая коррозия возникает при контакте металла с окружающей электролитически проводящей средой. При этом  восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекает не одновременно с ионизацией атомов металла и от электродного потенциала металла зависят их скорости. Первопричиной электрохимической коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в окружающих их средах. Ржавление трубопровода, обивки днища морского суда, различных металлоконструкций в атмосфере - это, и многое другое, примеры электрохимической коррозии.

К электрохимической коррозии относятся такие виды местных разрушений, как питтинги, межкристаллитная коррозия, щелевая.  Кроме того процессы электрохимической коррозии происходят в грунте, атмосфере, море.

Механизм электрохимической коррозии может протекать по двум вариантам:

1) Гомогенный механизм электрохимической  коррозии:

- поверхностный слой металла рассматривается как гомогенный и однородный;

- причиной растворения металла  является термодинамическая возможность  протекания катодного или же анодного актов;

- катодные и  анодные участки мигрируют по поверхности во времени;

- скорость протекания электрохимической коррозии зависит от кинетического фактора (времени);

- однородную поверхность можно  рассматривать как предельный  случай, который может быть реализован и в жидких металлах.

 

2) Гетерогенный механизм электрохимической  коррозии:

- у твердых металлов поверхность  негомогенная, т.к. разные атомы занимают  в сплаве различные положения  в кристаллической решетке;

-  гетерогенность наблюдается при наличии в сплаве инородных включений.

Электрохимическая коррозия имеет некоторые особенности: делится на два одновременно протекающих процесса (катодный и анодный), которые кинетически зависимы друг от друга; на некоторых участках поверхности электрохимическая коррозия может принять локальный характер; растворение основного металла происходит именно на анодах.

Поверхность любого металла состоит из множества короткозамкнутых через сам металл микроэлектродов. Контактируя с коррозионной средой образующиеся гальванические элементы, способствуют электрохимическому его разрушению.

Причины возникновения  местных гальванических элементов:

1) неоднородность сплава 

- неоднородность металлической  фазы, обусловленная неоднородностью сплава и наличием микро -  и макровключений;

- неравномерность  окисных пленок  на поверхности за счет наличия  макро -  и микропор, а также  неравномерного образования вторичных  продуктов коррозии;

- наличие на поверхности границ  зерен кристаллов, выхода дислокации  на поверхность, анизотропность кристаллов.

2) неоднородность среды

- область с ограниченным доступом  окислителя будет анодом по  отношению к области со свободным  доступом, что ускоряет электрохимическую  коррозию.

3) неоднородность физических условий

- облучение (облученный участок - анод);

- воздействие внешних токов (место  входа блуждающего тока - катод, место  выхода - анод);

- температура (по отношению к  холодным участкам, нагретые являются  анодами) и т. д.

 

Схема электрохимической коррозии

 

При работе гальванического элемента одновременно протекает два электродных процесса:

Анодный - ионы металла переходят в раствор, происходит реакция окисления.      Fe → Fe2+ + 2e

Классификация анодных процессов.

а) Образование на аноде растворимых продуктов.

1) ионизация металла с образованием простых ионов.

2) ионизация металла с образованием комплексных ионов за счет присутствующих в растворе анионов.

 

3) ионизация металла с образованием  комплексных ионов с ионами  гидрооксидов.

4) повышение положительной валентности  ионов металла.

5) понижение отрицательной валентности  комплексного аниона.

б) Образование на аноде недорастворимых продуктов.

1) образование на аноде гидрооксидов  металла.

2) образование на аноде труднорастворимых  нейтральных солей.

3) Образование на аноде основных солей.

4) Образование на аноде оксидов  металла (анодное оксидирование).

в) Анодное выделение кислорода.

Катодный - избыточные электроны ассимилируются  молекулами или атомами электролита, которые при этом восстанавливаются. На катоде проходит реакция восстановления.

O2 + 2H2O + 4e → 4OH- (кислородная деполяризация в нейтральных, щелочных средах)

O2 + 4H+ + 4e → 2H2O (кислородная деполяризация в кислых средах)

2H+ + 2e → H2 (при водородной деполяризации).

Торможение анодного процесса приводит к торможению и катодного. Коррозия металла происходит именно на аноде.

При соприкосновении двух электропроводящих фаз (например,   металл - среда), когда одна из них заряжена положительно, а другая отрицательно,  между ними возникает разность потенциала. Это явление связано с возникновением двойного электрического слоя (ДЭС). Заряженные частицы располагаются  несимметрично на границе раздела фаз.

Скачек потенциалов в процессе электрохимической коррозии может происходить из-за двух причин:

При достаточно большой энергии гидратации ионы металла могут отрываться и переходить в раствор, оставляя на поверхности эквивалентное число электронов, которые определяют ее отрицательный заряд. Отрицательно заряженная поверхность притягивает к себе катионы мет. из раствора. Так на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой.

 На поверхности металла разряжаются  катионы  электролита. Это приводит к тому, что поверхность металла приобретает положительный заряд, который с анионами раствора  образует двойной электрический слой.

Иногда возникает ситуация, когда поверхность не заряжена и, соответственно, отсутствует ДЭС. Потенциал, при котором это явление называется потенциалом нулевого заряда (φN). У каждого металла потенциал нулевого заряда свой.

Величина электродных потенциалов оказывает очень большое влияние на характер коррозионного процесса.

Скачок потенциала между двух фаз не может быть измерен, но при помощи компенсационного метода можно измерить электродвижущую силу элемента (ЭДС), который состоит из электрода сравнения (его потенциал условно принят за ноль) и исследуемого электрода. В качестве электрода сравнения берется стандартный водородный электрод. ЭДС гальванического элемента (стандартный водородный электрод и исследуемый элемент) называют электродным потенциалом. Электродами сравнения могут также выступать хлорсеребряный, каломельный, насыщенный медно-сульфатный.

Международной конвенцией в Стокгольме 1953г.  решено при записях электрод сравнения всегда ставить слева. При этом ЭДС рассчитывать, как разность потенциалов правого и левого электродов.

E = Vп - Vл

Если положительный заряд внутри системы движется слева направо - ЭДС элемента считается положительной, при этом

Emax=-(ΔGT)/mnF,

где F - число Фарадея. Если положительные заряды будут двигаться в противоположном направлении, то уравнение будет иметь вид:

Emax=+(ΔGT)/mnF.

При коррозии в электролитах самыми распространенными и значимыми являются адсорбционные (адсорбция катионов или анионов на границе раздела фаз) и электродные потенциалы (переход катионов из металла в электролит или наоборот).

Электродный потенциал, при котором металл находится в состоянии равновесия с собственными ионами называется равновесный (обратимый). Он  зависит от природы металлической фазы,  растворителя, температуры электролита, активности ионов металла.

Равновесный потенциал подчиняется уравнению Нернста:

E=Eο+ (RT/nF) LnαMen+

где, Eο - стандартный потенциал металла; R - молярная газовая постоянная; n - степень окисления иона металла; Т - температура; F - число Фарадея; αMen+ - активность ионов металла.

При установленном равновесном потенциале электрохимическая коррозия не наблюдается.

Если по электроду проходит электрический ток - равновесное состояние его нарушается.  Потенциал электрода изменяется в зависимости от направления и силы тока. Изменение разности потенциалов, приводящее к уменьшению силы тока,  принято называть поляризацией.  Уменьшение поляризуемости электродов  называют деполяризацией.