Коррозией  называют самопроизвольное разрушение металлов и сплавов в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

Вред коррозии

Коррозия обычно влечёт за собой убытки, поскольку разрушенные металлы требуют замены.

Это явление может наблюдаться во многих отраслях:

- в энергетике

- химической промышленности  

- целлюлозно-бумажной 

- пищевой 

- в системах отопления зданий

- коррозия может возникать у потребителей пара (например, теплообменников и реакторов)

- в линиях подачи пара (обычно в отдаленных, более прохладных местах) и в линиях возврата конденсата.

Почему металлы разрушаются

Когда неконденсирующиеся газы кислород и углекислый газ (CO2) присутствуют в системе отдельно или в сочетании, они могут сделать горячий конденсат очень агрессивным. 

Эти газы поступают в пароконденсатную систему несколькими способами: 

(I) вместе с питательной водой котла в виде “свободных” или захваченных газов; 

(II) при конденсации пара создается вакуум и втягивается воздух; 

(III) в случае CO2 в результате термического распада карбонатов и бикарбонатов в питательной воде.

В пароконденсатной системе могут присутствовать другие коррозионные газы, включая аммиак (NH3), сероводород (H2s) и диоксид серы (SO2).

СО2 растворяется в водном конденсате с образованием углекислоты.

Следовательно, конденсат будет содержать ионы водорода (H+), которые могут способствовать коррозии. Присутствие кислорода в конденсате приводит к следующим дополнительным катодным реакциям, которые могут значительно стимулировать коррозионное воздействие.

Коррозионные Повреждения

Тип коррозионного повреждения зависит от материала конструкции, наличия неконденсирующихся газов и способа сбора и истечения конденсата пара.

Углеродистая сталь

Для оборудования из углеродистой стали (CS) присутствие кислорода в конденсате обычно создает ямы, которые часто заполняются продуктами коррозии. 

Присутствие CO2 создает атаку мезообразного типа или глубокую канавку. Продукты коррозии часто уносятся с вытекающим конденсатом и могут оседать в других местах системы, где скорость потока ниже или давление снижено.

Медь и никель

Медно-никелевые теплообменные трубки могут подвергаться отслаиванию, когда тонкие слои металла трубки превращаются в оксиды. 

Кислород в первую очередь отвечает за этот тип поражения, но другие газы, такие как СО2 и аммиак, помогают определить степень и морфологию коррозионного повреждения.

Небольшой наклон, обычно придаваемый горизонтальным трубам в теплообменниках (с паром на стороне корпуса), может способствовать потоку конденсата к одной стороне перегородки или опорной пластины трубы. Этот локализованный поток может создавать глубокие канавки в трубах, непосредственно прилегающих к перегородке или опорной плите. Латунные трубки особенно подвержены этой форме атаки.

Эрозия-коррозия

Конденсат выбрасывается с высокой скоростью из некоторых конденсатоотводчиков, и на внутренних стенках выпускного трубопровода может возникнуть эрозия-коррозия. При работе с паром на стальных поверхностях часто образуется окалина магнетита (Fe 3O4). 

Мелкие частицы такого масштаба могут отделяться — особенно в оборудовании, которое используется периодически или циклически. При выбросе из паровых ловушек эти частицы усиливают эрозионное действие конденсата. 

Эрозия-коррозия также может возникать, когда постоянно повышающийся и понижающийся уровень конденсата приводит к удалению защитных оксидных или ингибиторных пленок.

Сбои кавитационного типа произошли в тех случаях, когда холодная вода была впрыснута в конденсатопроводы для охлаждения конденсата. Сильный коллапс пара может привести к серьезным потерям металла в местах впрыска и непосредственно вниз по течению.

Утечка технологического потока в паровую часть емкости может привести к образованию высококоррозионного конденсата, как в случае с протекающими трубами теплообменника. В таких случаях может потребоваться направить этот поток конденсата в слив, а не возвращать его в котел.

Борьба с коррозией

Существует несколько способов борьбы с коррозией.

Предварительная обработка питательной воды котла

Предварительная обработка питательной воды является основной защитой от коррозии конденсата пара. Большое внимание уделяется удалению O2, CO2, карбонатов и бикарбонатов из питательной воды котла. Механическая и химическая деаэрация хорошо зарекомендовали себя, и подробное их описание выходит за рамки данной статьи.

В то время как большая часть кислорода физически удаляется во время деаэрации, последние следы могут быть захвачены химическими добавками, называемыми “поглотителями кислорода”. 

Летучие ингибиторы коррозии

Несмотря на предварительную обработку питательной воды котла, некоторое количество CO2 или кислорода все еще может поступать в систему подачи пара. В последние годы были достигнуты значительные успехи в разработке и применении летучих ингибиторов коррозии, которые транспортируются по трубопроводам подачи пара, а затем действуют для смягчения коррозии в конденсатной системе. 

Этими ингибиторами являются 

(I) пленкообразователи, которые покрывают металлические поверхности защитной пленкой

(II) нейтрализаторы, которые нейтрализуют углекислоту.

Разложение ингибиторов может привести к образованию аммиака. Поскольку аммиак образует щелочной раствор при растворении в конденсате, он может быть полезен для нейтрализации углекислоты. Однако аммиак может привести к коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением (СКК) материалов на основе меди.

Ингибиторы коррозии, в частности пленкообразователи, могут оказывать моющее действие на металлические поверхности. Отложения и продукты коррозии могут быть унесены вытекающим конденсатом и могут накапливаться в других частях системы.

Поглотители Кислорода

Сульфит натрия и гидразин являются хорошо зарекомендовавшими себя поглотителями кислорода. Они вступают в реакцию с кислородом.

Гидразин вступает в реакцию с гематитом (Fe2O3) на стальных поверхностях, образуя более защитную пленку из Fe3O4. Из соображений безопасности гидразин был в значительной степени заменен карбогидразидом (CH6N4O), который, как также утверждается, помогает “пассивировать” металлические поверхности. Диэтилгидроксиламин (C4H11NO) является еще одним поглотителем кислорода, который, как утверждается, помогает пассивировать стальные и медные поверхности.

Дополнительную информацию о поглотителях кислорода можно найти в литературе. На некоторых перерабатывающих заводах собирают чистый конденсат и используют для смешивания, разбавления или промывки продукта; следовательно, может быть нецелесообразно использовать ингибиторы или поглотители, опасаясь загрязнения продукта.

Выбор Материалов

Обычный CS подвержен коррозии конденсата пара — либо в присутствии CO2, либо кислорода. Однако это может быть наиболее экономичным выбором при условии регулярного осмотра и своевременной замены проржавевшего оборудования.

Более коррозионностойкие материалы включают хромомолибденовые стали, хромовые стали, нержавеющие стали (SS), сплавы NiCr-Fe, титан и некоторые медные сплавы. Хромосодержащие стали обладают хорошей устойчивостью к эрозии и коррозии.7 Трубопроводы CS, которые были внутренне покрыты SS, использовались для трубопроводов с очень агрессивным конденсатом.

Сообщалось, что металлическая и алюминиевая бронза обеспечивают устойчивость к конденсату пара при использовании в качестве трубных листов в теплообменниках. Как упоминалось ранее, использование ингибиторов коррозии или поглотителей кислорода обычно приводит к присутствию аминов и/или аммиака, которые могут отрицательно повлиять на медные сплавы.

Присутствие небольших количеств хлорида в пароконденсатной системе может создать проблемы для обычных аустенитных SSS, поскольку они подвержены образованию хлоридных пятен и SCC. Сырая вода, капающая на внешнюю поверхность трубы для горячего конденсата, изготовленной из аустенитного SS, также может вызвать SCC.

Во избежание гальванической коррозии следует позаботиться о том, чтобы различные металлы не сочетались во внутренних компонентах насосов и клапанов. Материалы, выбранные для обслуживания пароконденсата, должны соответствовать коду ASME и/или другим применимым кодам.

Вентиляция

Воздух может попасть в паропроводы во время запуска. Вентиляционные отверстия могут быть установлены для выпуска воздуха, что позволяет пару более полно заполнять трубопроводы и оборудование. Эти вентиляционные отверстия могут управляться вручную или автоматически. Автоматические вентиляционные отверстия улавливают разницу между воздухом и паром и остаются открытыми, позволяя большей части воздуха выходить наружу.

Кислород иCO2, поступающие в систему подачи пара, могут накапливаться в локализованных “карманах”. Иногда возможно установить специальную вентиляционную систему, позволяющую этим газам выходить наружу. Например, через подходящий фитинг и отверстие для доступа в корпусе сосуда (например, глухой фланец) возможно вставить трубку малого диаметра, чтобы внутренний конец трубки достигал газового “кармана”. Внешний конец трубки может быть оснащен небольшим клапаном. После запуска клапан можно постепенно открывать, чтобы из сосуда выходили неконденсирующиеся газы.

Когда подача пара отключена, пар начнет конденсироваться и может образоваться вакуум. Если сосуд или паровой коллектор снабжены вакуумным выключателем, он откроется для впуска воздуха. При утечке воздуха, состоящего из 21 об.% O2 и 0,04 об.% CO2, будет выделяться кислород и меньшее количество CO2. Воздух также может поступать в системы через небольшие утечки в прокладках, уплотнении штока клапана и сальниках насоса, а также через любые вентиляционные отверстия, которые все еще могут быть открыты.

Конденсатоотводчики

Паровые ловушки открываются, чтобы позволить конденсату выходить из паровых коллекторов, и закрываются, чтобы предотвратить выход пара. Доступно несколько типов паровых ловушек, включая, но не ограничиваясь ими, поплавковые ловушки, ковшовые ловушки, термодинамические ловушки, термостатические ловушки и ловушки для расширения жидкости. В дополнение к эффективному удалению коррозионного конденсата, паровые ловушки также могут пропускать неконденсирующиеся газы. Некоторые конструкции ловушек (например, термостатические) в этом отношении лучше других. 

Проектирование Оборудования

В целом, как правило, заменить трубопроводы проще и дешевле, чем заменить потребителей пара, таких как теплообменники и сосуды под давлением. Для борьбы с коррозией необходимо свести к минимуму время пребывания конденсата в паропроводе за счет эффективного его сбора, выброса и возврата по трубопроводу обратно в котел.

Идеально подходят системы трубопроводов для конденсата, обеспечивающие самотечный дренаж. Следует соблюдать осторожность, чтобы избегать мест, где может скапливаться коррозионный конденсат, таких как низкие места. Умеренные скорости потока помогают свести к минимуму возможность эрозии-коррозии. Резьбовые соединения труб особенно подвержены коррозии из-за уменьшения толщины стенок, из-за нарезания резьбы и наличия остаточных напряжений. Поэтому, когда это возможно, предпочтительны стыковые соединения. Имеется информация о проектировании эффективных систем трубопроводов для конденсата.

Для уменьшения эрозионно-коррозионных повреждений на некоторых заводах установлены толстостенные трубопроводы и фитинги, обеспечивающие больший допуск на коррозию. Также были установлены отводы большого радиуса для оптимизации потока конденсата и уменьшения соударения.

При проектировании паропровода необходимо тщательно продумать положение входа пара, слива конденсата и вентиляционного отверстия. Когда пар впервые поступает в сосуд, стремительный поток может помочь направить захваченный воздух к вентиляционному отверстию и облегчить движение конденсата к конденсатоотводчику.

В горизонтальных кожухотрубных теплообменниках с водяным паром со стороны кожуха конденсат стекает с труб и собирается вдоль дна кожуха. Опорные пластины для труб, которые опираются на внутреннюю поверхность оболочки, могут препятствовать потоку конденсата к выходному соплу. Для обеспечения эффективного удаления конденсата в нижних частях трубных опор следует вырезать насечки.

Выводы

Тщательная очистка питательной воды котла, включающая механическую деаэрацию и химическую обработку, является основной защитой от коррозии конденсата пара.

Летучие ингибиторы коррозии, переносимые по трубопроводам подачи пара, помогают контролировать коррозию конденсата. Ингибиторы пленкообразования покрывают металлические поверхности защитной пленкой, а нейтрализующие ингибиторы нейтрализуют углекислоту. 

Следует также обратить внимание на следующее:

(I) использование более коррозионностойких материалов; 

(II) конструкция оборудования и трубопроводов; 

(III) вентиляция; 

(IV) предотвращение утечки воздуха; 

(V) выбор и расположение конденсатоотводчика.

Коррозия металлов - хоть и неприятное явление, при правильном подходе, с ней можно справляться.