[Tisk]  [Poslat e-mailem]  [Hledat v článcích]
Koroze v potrubních systémech
Datum: 14.9.2011
Autor: Ing. Jaroslav Červený, Doc. Ing. Viktor Kreibich, CSc., ČVUT v Praze, FS, Ústav strojírenské technologie
Zdroj: přednáška TLAK 2011
Předmětem příspěvku je problematika korozního poškození potrubních systémů a způsob vyhodnocení korozních úbytků pomocí modelového laboratorního zařízení.

Chladící systémy jsou velmi kritickou částí průmyslových zařízení. Proto je nutné dbát při návrhu těchto systémů zvýšených požadavků na bezpečnost a volbu vhodného materiálu. Materiál pro konstrukci potrubních systémů pro chlazení by měl splňovat řadu požadavků, nejen pevnostních a technologických ale i odolnosti vůči korozi. Náchylnost chladících systémů na korozní napadení závisí na mnoha ukazatelích i specifických podmínkách.

Nebezpečným způsobem poškození chladících systémů je koroze. (obr.1) Korozní degradační proces je nutné zastavit či alespoň zpomalit natolik, aby potrubí chladících systémů vykonávalo bezpečně svou funkci po celou dobu plánované životnosti zařízení. Pro omezování vlivů koroze je vhodné dobře porozumět principům, které působí na materiál v chladících vodách. Díky znalostem a korozním zkouškám lze účinně čelit korozi v chladících systémech a předcházet tak i možným haváriím.

Koroze ve vodách

V potrubních systémech se setkáváme především s vodnými roztoky s obsahem látek, které se do vody dostávají při jejím koloběhu v přírodě a v průmyslu. Přírodní vody lze rozdělit na vody sladké, mořské, minerální a vody brakické (sladké vody znečištěné mořskou vodou). Pro průmyslové účely se používá vod přírodních upravených nebo neupravených. Průmyslové vody lze dle užití dělit na vody pro energetické účely (vždy upravené), chladící (upravené i neupravené), technologické (přidávané do technologických roztoků) a vody odpadní.

Působením chemicky čisté vody na kovový povrch dochází pouze k zanedbatelné korozi. Koroze je tedy způsobována zejména množstvím příměsí, které jsou v různé míře vždy přítomny jak ve vodách přírodních, tak průmyslových. Agresivita vody je zejména ovlivněna obsahem kyslíku, množstvím a typem rozpuštěných solí, přítomností organických látek a mikroorganismů, pH, teplotou, rychlostí proudění a obsahem pevných částic.

Korozní napadení v prostředí rozpuštěného vzduchu ve vodě

Na korozní rychlost má největší vliv obsah rozpuštěného kyslíku. Kyslík se totiž chová jako katodický depolarizátor, který z katody odstraňuje usazený vodík, a napomáhá tak zvyšování korozní rychlosti.

Rozpustnost kyslíku ve vodě je závislá na teplotě, tlaku a obsahu solí. Kyslík se lépe rozpouští v chladnější vodě než ve vodě teplé. Při vyšších teplotách nad 80°C má na rozpustnost kyslíku ve vodě vliv i to, zda je soustava otevřená či uzavřená. Pro zvýšení rozpustnosti je možné použít vyššího tlaku, jak je zobrazeno na obr. 2.

Zdroji rozpuštěného kyslíku v přírodních vodách jsou atmosférický vzduch a fotosyntéza vodních řas. Na hodnotu provzdušnění kyslíkem má vyjma tlaku a teploty dále vliv velikost styčné plochy se vzduchem a turbulence.

Účinky dalších látek obsažených v provzdušněné vodě

Chloridy jsou přítomny téměř ve všech vodách a zesilují korozi oceli ve vodě obsahující rozpuštěný kyslík. Chloridy i v malých koncentracích výrazně napadají tvorbu ochranných vrstev, čímž přispívají ke vzniku bodové koroze a k dalším korozním jevům, například ke koroznímu praskání. Nerovnoměrnost napadení ve sladkých vodách má za příčinu nízkou elektrickou vodivost vlivem malého obsahu rozpuštěných solí.

Vliv pH na korozní rychlost

V mírně kyselých roztocích koroduje železo prakticky jen za přítomnosti kyslíku, kdežto v silně kyselých roztocích koroduje zároveň s vodíkovou depolarizací. Proto nejvyšší korozní rychlost u železa pozorujeme ve výrazně kyselých roztocích. (obr. 3)

Přírodní vody mají pH obvykle v rozmezí od 4.5 do 8.5, a proto na většině kovů vzniká vrstva nerozpustných korozních produktů jako důsledek působení přirozených inhibitorů (Ca 2+ a HCO3- ). Na pH přírodních vod má veliký vliv přítomnost oxidu uhličitého, který způsobuje pokles pH. Samotný oxid uhličitý působí v bezkyslíkaté vodě na železo agresívně za normální teploty jen při vysokých koncentracích.

V provzdušněné vodě s vysokým obsahem kyslíku se CO2 projevuje negativním vlivem na přirozené inhibitory obsažené ve vodě, čímž brání vzniku ochranných vrstev. Oxid uhličitý není při stejné koncentraci tak agresivní jako kyslík. Koroze za současné přítomnosti kyslíku a oxidu uhličitého je v důsledku vzájemného komplexního působení rychlejší, než co odpovídá součtu rychlostí koroze ve vodě, kde je každý plyn rozpuštěn zvlášť.

Vliv teploty na korozní rychlost

Zvyšování teploty pomáhá urychlovat děje na elektrodách, ale zároveň působí snížení rozpustnosti kyslíku ve vodě. Teplota má také vliv na rovnováhu mezi rozpuštěnými látkami a vrstvami vzniklými na kovu (obr. 4)

Z tohoto obrázku je patrné že při vyšších teplotách se v otevřených systémech udrží jen omezené množství kyslíku.

Vliv rychlosti proudění

Proudění vody má na průběh koroze veliký vliv, neboť reguluje přísun kyslíku k povrchu kovu. Při malém proudění se korozní rychlost oceli v destilované vodě zvětšuje, takže při rychlosti 0,05 m.s-1 dosahuje až 230% koroze za klidu. Potom opět klesá, prochází minimem a opět mírně stoupá. Pokles koroze při středních rychlostech je způsoben pasivací oceli v důsledku vysokého přísunu kyslíku k povrchu. Ve stojatých vodách při mírných rychlostech dochází k napadení důlkovou korozí a vzniku takzvaných tuberkulí. Při rychlostech vyšších dochází k zvětšení vlivu rovnoměrné koroze. To se vysvětluje faktem, že vyšší rychlost, rozrušuje korozní nánosy, čímž zrovnoměrňuje podmínky koroze, a dále brání usazování mikroorganismů. Při velmi vysokých rychlostech často dochází i k degradaci vlivem eroze.

Způsoby korozního napadení ve vodách

V chladících vodách může docházet k velkému množství typů koroze. V normě ČSN EN 14868, která se zabývá touto problematikou, je jich uvedeno patnáct.

Nejčastějším druhem korozního napadení v přírodních vodách je důlková (bodová) koroze. Při vzniku i průběhu důlkové koroze se uplatňují elektrochemické články vzniklé v důsledku nestejnorodosti oxidických vrstev na povrchu (okuje na oceli), v důsledku rozdílného provzdušnění (diferenční aerace), ve štěrbinách, pod úsadami, nebo následkem biologické činnosti. V chladících vodách dochází k tvorbám takzvaných koncentračních článků. Koncentrační článek vzniká v případě, kdy je kovový materiál smáčen nehomogenním elektrolytem (např.: kyslíkový článek – článek vzniklý rozdílným provzdušněním elektrolytu). Funkce koncentračního článku se v chladících vodách projevuje tvorbou tuberkulí (inkrustací), korozí pod úsadami a štěrbinovou korozí.

Štěrbinová koroze

Jedná se o místní korozní napadení v již existujících štěrbinách či mezerách mezi povrchem kovu a dalším povrchem (kovovým i nekovovým), které jsou naplněny elektrolytem (obr. 5). Vlivem rozdílu mezi malým množstvím elektrolytu uvnitř štěrbiny a velkým množstvím vně dochází ke vzniku koncentračního článku. Kyslík rozpuštěný ve vodě o neutrálním pH je spotřebován katodickou reakcí a přísun dalšího kyslíku je omezen malými rozměry štěrbiny. Vzhledem k nedostatku oxidačního činidla se vnitřní povrch štěrbiny stává anodou a ústí štěrbiny, kde je kyslíku dostatek, katodou. V průběhu štěrbinové koroze dochází k zvyšování kyselosti (agresivity) a častému aktivování povrchu kovu uvnitř štěrbiny. Následkem je veliký nárůst korozní rychlosti uvnitř štěrbiny za stálé ochrany ústí, které je katodou. Tím se nadále udržuje koncentrační článek a zvětšuje se prokorodovaná hloubka.

Bodová koroze

Bodová koroze (obr. 6) je nerovnoměrným poškozením materiálu ve formě dutin o průměru 1 až 3 mm (obr. 7), které se vytvářejí rovnoměrně na vnitřním povrchu celého potrubí. Tato korozní poškození mohou vést k selhání celého potrubního systému vlivem možnosti pokračování tohoto děje a náhlé perforace materiálu až na jeho povrch bez předešlých známek poruchy a může tak vést k náhlému selhání systému.

K tomuto druhu koroze častěji dochází ve stagnujícím prostředí, které se vytvoří právě pod korozní úsadou. V tomto prostoru se korozní rychlost neustále zvyšuje. Vysoký obsah kyslíku ve vodě tomuto procesu napomáhá. Korozní proces se neustále v pravidelných intervalech opakuje a dochází k rychlé degradaci materiálu. Korozní rychlost u tohoto druhu koroze je minimálně 10x vyšší než u rovnoměrné koroze. Rychlost proudění vody není dostatečná k odstraňování korozních úsad z povrchu materiálu. Nehomogenitou oxidických vrstev se význam elektrochemických článků stupňuje. Při zastavení proudění vody jsou pro bodovou (důlkovou) korozi vytvořeny podmínky koroze vlivem vysoké koncentrace vzduchu v tlakové vodě. I při vypuštění vody zůstává v silných vrstvách korozních produktů trvale voda a vlivem volného přístupu vzduchu se dále podporují korozní děje.

Stanovení metodiky sledování rychlosti koroze potrubních systémů

Z teorie koroze vyplývá, že na korozní rychlost má vliv stupeň provzdušnění, teplota prostředí, tlak, salinita a velikost kontaktní plochy s atmosférickým vzduchem.

Pro korzní zkoušku je použita sladká voda a zkouška je prováděna při pokojové teplotě za normálního tlaku. Tím se teplota, tlak a salinita stávají konstantami. Jako proměnná zůstává velikost kontaktní plochy se vzduchem, na které dochází k difusi kyslíku do vody. Zvětšováním kontaktní plochy dochází k rychlejšímu prokysličení. Kontaktní plocha se dá zvětšovat dvěma metodami v praxi běžně používanými - první je metoda s využitím injektorového směšování (obr. 8) a druhá metoda s využitím probublávání. Obecně platí, že čím menší bublinky vzduchu, tím lepší provzdušnění

Metody zvětšení kontaktní plochy vzduchu

První metoda je založena na pohybu vody. Vlivem vysoké rychlosti proudící vody dochází k turbulentnímu proudění a následnému strhávání molekul vzduchu z atmosféry. Tento jev je pozorovatelný v přírodě, např.: při proudění vody přes kameny, u vodopádů apod..

V praxi se používá modifikace tohoto v zá- sadě přírodního principu. Korozní zkušební za-řízení s možnutí regulace provzdušnění vody se skládá z podtlakového směšovače (injektoru), ve kterém dochází ke směš- ování vzduchu a vody o vysoké rychlosti. Tím vzniká směs vody a velmi jemných bublinek vzduchu, takzvaná "bílá voda". Výstupní tryska může být umístěna pod hladinou, nebo nad ní. Hodnotu provzdušnění lze regulovat pomocí škrtícího ventilu umístěného před sací vzduchový otvor injektoru (viz schéma zařízení na obr. 9). Po vypnutí přístroje zůstávají mikrobublinky ve vodě i několik minut.

Druhá metoda zvětšení kontaktní plochy vzduchu ve vodě je založena na probublávání malými bublinkami. Nejdůležitější na tomto principu je velikost vznikajících bublinek, neboť hodnota provzdušnění je vyšší při malé velikosti bublinek. Velikost bublinek je závislá na tlaku vzduchu z kompresoru a porézním elementu, který zajišťuje tvorbu bublinek. Nejčastěji se používají keramické desky s velmi malými póry. Příklad provzdušňovacího keramického difusoru (obr. 10, 11). Množství produkovaných bublinek lze regulovat tlakem kompresoru či škrtícím ventilem na vstupu. Čím menší bublinky, tím lepší provzdušnění a nižší rychlost stoupání k hladině.

Cílem obou provzdušňovacích metod je vytvoření velkého množství velice jemných bublinek vzduchu za účelem simulace těchto dějů v potrubních systémech.

Na základě těchto poznatků a požadavků z praxe na sledování rychlosti koroze u potrubních systémů se na pracovišti autorů ve zkušebním provozu ověřuje korozní zkušební zařízení pro sledování tohoto korozního problému.

Závěrem

Při pomalých rychlostech proudění chladících vod, nebo při střídání proudění a stagnace, se korozní poškození chladících systémů projevuje silnou bodovou korozí. Ta často přechází v růst korozních puchýřů, které rychlost koroze dále zvyšují. Agresivita korozního prostředí se odvíjí i od chemického složení chladících vod. Pokud chladící vody neobsahují přirozené inhibitory koroze, jako Ca2+ a HCO3- , dochází vlivem zvýšeného obsahu kyslíku k nárůstu korozní rychlosti tvorbou korozních článků. Korozní rychlost nízkouhlíkové oceli tak může dosáhnout až 200 μm/rok. Korozní články dále podporují bodové napadení a jejich činností může dojít až ke kritickému lomu.

Použitá literatura

AKIMOV, G. V. Theorie a zkušební methody korose kovů. Praha : SNTL, 1953. 372 s.
BARTONÍČEK, R. Koroze a protikorozní ochrana kovů. Praha : Academia, 1966.
ČÍHAL, Vladimír. Mezikrystalová koroze ocelí a slitin. Praha : SNTL, 1978.
ČERNÝ, Miroslav. Korozní vlastnosti kovových konstrukčních materiálů. Praha : SNTL, 1984. 264 s.
ČÍHAL, Vladimír. Korozivzdorné oceli a slitiny. Praha : Academia, 1999.
ČERVENÝ J., KUDLÁČEK J., Korozní napadení potrubních systémů,Tlak2010, Praha : 2010


 Hodnocení
Zhodnoťte, jak se Vám článek líbil (1 = výborný ... 5 = špatný)
 
průměrné hodnocení: 1 (počet známek: 4) 

Diskuze ke článku
V diskuzi není žádný příspěvek
Přihlášení/odhlášení odběru příspěvků e-mailem:
váš e-mail:

Podmínky užívání portálu TLAKinfo.
Připomínky, náměty a dotazy - redakce portálu.
© Copyright DEKRA CZ, a.s. 2005-2019, všechna práva vyhrazena.