Тема. Коррозия теплоэнергетического оборудования ТЭС и АЭС

Термин «коррозия» берет начало от латинского слова «corrodere» - разъедать.

Любой коррозионный процесс приводит к изменениям в свойствах конструкционных материалов. Результатом этого процесса является постепенное разрушение металлов. Экономические потери, связанные с коррозией металлов, определяются не столько стоимостью прокорродировавшего металла, сколько стоимостью ремонтных работ, убытками за счет простоя оборудования, затратами на ликвидацию последствий аварии. В большинстве стран потери от коррозии оставляют 4-6 % национального дохода.

Часть этих затрат неизбежна, т.к. нереально полностью исключить все коррозионные разрушения, но можно значительно сократить коррозионные потери за счет лучшего использования на практике накопленных знаний о коррозионных процессах и методах защиты от них теплоэнергетического оборудования.

Понятие «коррозия металлов» включает большую группу химических или электрохимических процессов, приводящих к разрушению металла. Эти процессы резко отличаются друг от друга по внешним проявлениям, по условиям и средам, в которых они протекают, но результат общий – разрушение металла. Так как внешняя среда соприкасается с металлом у его поверхности, все виды коррозионных повреждений начинаются с поверхности.

Причина коррозии – термодинамическая неустойчивость металлов, вследствие чего большинство из них встречаются в природе в окисленном состоянии. Исключение составляют золото, платина, серебро, иридий, палладий. Таким образом, коррозию можно определить как самопроизвольный процесс, протекающий при взаимодействии металла с окружающей средой и сопровождающийся его разрушением.

Коррозия протекает на границе раздела двух фаз «металл-окружающая среда» и состоит, как минимум, из 3-х основных многократно повторяющихся стадий:

- подвода коррозионных агентов к поверхности раздела фаз;

- собственно реакции взаимодействия металла с коррозионной средой, итогом которой является переход некоторого количества металла в окисленную форму с образованием продуктов коррозии, а коррозионного агента – в востановленную форму;

- отвода продуктов коррозии из зоны реакции.

Различают общую и местную формы коррозионных разрушений металла.

Общая (равномерная) коррозия охватывает всю или почти всю поверхность металла, находящегося под действием агрессивной среды. Равномерная коррозия протекает примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла.

Общая коррозия характеризуется умеренной интенсивностью износа, но большими масштабами воздействия на поверхности пароводяного тракта ТЭС и АЭС. Данный вид коррозии приводит к загрязнению теплоносителя и, как следствие, к активизации образования железосодержащих отложений в парогенераторах и турбинах. Кроме того происходит равномерное утонение стенок трубопроводов и теплообменного оборудования. Все эти факторы приводят к уменьшению ресурса, снижению эффективности работы тепломеханического оборудования, росту затрат по предотвращению отложений и выполнению контрольно-диагностических мероприятий.

Для АЭС продукты коррозии, отложившиеся в активной зоне реактора, активизируются в нейтронном поле. При последующем выносе радиоактивных продуктов коррозии и распространении их по контуру циркуляции они становятся источниками радиоактивного излучения за пределами активной зоны. Их действие не прекращается и после остановки реактора.

В итоге можно заключить, что появление и развитие общей (равномерной) коррозии снижает надежность и долговечность работы трубопроводов и тепломеханического оборудования ТЭС и АЭС.

Местная (локальная) коррозия на поверхности металла протекает с различной скоростью, в результате чего коррозионные разрушения концентрируются на определенных участках. Чем больше степень локализации коррозии, тем она опаснее из-за большой скорости проникновения вглубь металла. В результате это может приводить к образованию свищей и возникновению аварийных ситуаций. Экономические потери от локальной коррозии складываются из затрат на ликвидацию последствий коррозионных разрушений, ущерба от вынужденного простоя оборудования, затрат на контрольно-диагностические мероприятия.

Можно выделить следующие основные типы местной коррозии:

1. пятнами – коррозия в виде отдельных пятен относительно больших размеров по площади, но небольшой глубины.

2. язвинами – коррозия островными участками меньших размеров, чем при коррозии пятнами, но значительно большей глубины.

3. точечная – коррозия в виде точечных поражений.

4. сквозная – сквозное поражение стенки металла.

5. межекристаллитная – распространяется по границам зерен металла.

6. транскристаллитная – трещины распространяются не только по границам кристаллов, но и перерезают их.

На поверхности энергетического оборудования, соприкасающегося с водой и паром, могут иметь место все указанные формы и типы коррозионных разрушений в различных модификациях и сочетаниях.

В приложении № 5 приведены характеристики основных видов коррозии металлов парогенераторов

По механизму протекания процесса окисления металла коррозию подразделяют на химическую и электрохимическую.

Химическая (или газовая) коррозия протекает в результате непосредственного окисления котельного металла при контакте его с перегретым паром или сухим газом при высоких температурах и не сопровождается возникновением электрического тока. В процессе химической коррозии окисление металла и восстановление окислительного компонента среды происходят одновременно. Окислы образуются непосредственно на поверхности, покрывая металл окисной пленкой. Свойства полученной окисной пленки оказывают решающее влияние на развитие химической коррозии. Когда первичный слой окислов образует сплошную пленку, она будет тормозить в дальнейшем окисление металла, так как реагирующие вещества должны будут диффундировать через пленку. Если окисная пленка получается пористой, она не сможет препятствовать контакту реагирующих веществ, и коррозия будет продолжаться.

Основными факторами, влияющими на скорость химической газовой коррозии, являются:

- природа металла;

- состав газовой среды (например, продукты сгорания топлива);

- механические свойства образующихся продуктов коррозии (оксидных пленок);

- температура.

В зависимости от условий при окислении чистого железа получается закись железа FeO (вюстит), окись железа Fe₂O₃ (гематит) или закись-окись железа Fe₃O₄ (магнетит) по следующим реакциям:

2Fe+O₂ 2FeO; (3.11)

 

3Fe+2O₂ Fe₃O₄; (3.12)

 

4Fe+3O₂ 2Fe₂O₃. (3.13)

 

Установлено, что вюстит FeO при химической коррозии обладает меньшим защитным действием, чем Fe₂O₃ и Fe₃O₄.

Основным компонентом, который применяется для жаростойкого легирования железных сплавов, является хром, образующаяся на поверхности металла пленка FeO·Cr₂O₃ обладает весьма высокими защитными свойствами, превосходящими таковые для магнетитовой пленки.

Электрохимическая коррозия наиболее распространена и включает те случаи, когда процессы окисления металла и восстановления окислительного компонента протекают раздельно в среде жидкого электролита, т.е. в среде проводящей электрический ток. Такими средами могут являться природная вода, водные растворы солей, кислот, щелочей, а также воздух и пар, содержащие влагу.

При электрохимической коррозии на поверхности металла одновременно протекают два процесса: анодный - окисление металла и катодный - восстановление окислителей.

Возникновение гальванических элементов «катод-анод» на углеродистых сталях при их контакте с электролитами, т.е. возникновение условий для протекания электрохимической коррозии может обеспечиваться следующими причинами:

- неоднородность структуры металла (макро-и микро-включения, неоднородность сплава);

- наличие на поверхности сталей оксидных пленок, загрязнений, неметаллических включений и т.п.;

- неравномерное распределение окислителя на границе «металл-электролит», например, различные влажность и аэрация на различных участках поверхности металла;

- неравномерность распределения температур;

- контакт разнородных металлов;

- наличие внутренних напряжений в металле;

- различные концентрации примесей в теплоносителе, контактирующем с металлом.