קורוזיה בגזים ובגזי פליטה – קורוזיה של מתכות ופלדה בסביבות גזיות

קורוזיה של גזים וגזי פליטה כוללת תהליכי הרס מתכות המתרחשים במגע עם גזי תהליך, תוצרי בעירה ומעובהם. סביבות אלו מתרחשות בדוודים, תנורים תעשייתיים, מחליפי חום, תחנות כוח, משרפות פסולת, מערכות פליטה, ארובות, מתקנים כימיים ופטרוכימיים ומערכות השבת חום, בין היתר.
אגרסיביותו של גז תלויה לא רק בהרכבו הכימי. טמפרטורה, תכולת אדי מים, לחץ, נוכחות של חמצן, תרכובות גופרית וכלור, אבק ואפר, והאפשרות להיווצרות עיבוי הם גם גורמים מכריעים. לכן, קורוזיה בגזים ובגזי פליטה יכולה להיות הן בטמפרטורה גבוהה והן באופייה אלקטרוכימי אם נוצר עיבוי נוזלי על פני המתכת.

קורוזיה בגזים וקורוזיה בטמפרטורה גבוהה

אין להשוות קורוזיה בגזים ובגזי פליטה אך ורק לקורוזיה בטמפרטורה גבוהה. בטמפרטורות גבוהות, מתכות יכולות להגיב ישירות עם הסביבה הגזית ללא השתתפות של אלקטרוליט נוזלי. לאחר מכן עלולות להתרחש חמצון, גופרית ותגובות כימיות אחרות, מה שמוביל להיווצרות שכבות של תוצרי קורוזיה.
עם זאת, כאשר הטמפרטורה יורדת מתחת לנקודת הטל המתאימה, עלול להיווצר עיבוי על פני השטח. אם רכיבי גז הפליטה מתמוססים בו, הסביבה המתקבלת יכולה להיות אגרסיבית משמעותית יותר מהגז היבש עצמו. לכן, מנגנוני קורוזיה שונים יכולים להתרחש במתקן יחיד, בהתאם למיקום ולטמפרטורת פני השטח.

הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על קורוזיה בגזים ובגזי פליטה

קורוזיה של הפליטה

גזי פליטה הם תערובת של גזים, אדי מים, ולעתים קרובות חלקיקים מוצקים. הרכבם תלוי בסוג הדלק, בתהליך הבעירה, בטמפרטורה, בנפח האוויר ובמערכות ניקוי גזי הפליטה בהן נעשה שימוש. בנוסף ל-CO₂, H₂O, O₂ ו-N₂, הם עשויים להכיל גם תרכובות גופרית, תחמוצות חנקן, תרכובות כלור ורכיבים אחרים שמקורם בדלק או בחומר הנשרף.
בטמפרטורות גבוהות, תגובות גז-מתכת ושקיעה יכולות להשתלט. בחלקים קרים יותר של המערכת, עיבוי הופך לחשוב במיוחד. לכן, תנאים שונים לחלוטין יכולים להתרחש בתא הבעירה, מחמם-על, חסכן, צינור גזי הפליטה והארובה.

נקודת טל של גזי פליטה וקורוזיה

נקודת הטל קובעת את הטמפרטורה שמתחתיה מתחיל רכיב בשלב הגז להתעבות. במקרה הפשוט ביותר, זה חל על אדי מים, אך בגזי פליטה המכילים תרכובות גופרית, גם נקודת הטל החומצית חשובה במיוחד.
אם טמפרטורת פני המתכת יורדת מתחת לטמפרטורת העיבוי של הרכיבים הרלוונטיים, שכבת נוזל יכולה להיווצר על פני השטח. המסת רכיבי פליטה חומציים בשכבה זו עלולה לגרום לעלייה מהירה בתוקפנות הסביבתית. מסיבה זו, טמפרטורת הגז לבדה אינה תמיד מידע מספיק - גם טמפרטורת פני המתכת בפועל חשובה.

נקודת טל חומצית וקורוזיה בטמפרטורה נמוכה

בגזי פליטה המכילים תרכובות גופרית, חלק מה-SO₂ עשוי לעבור חמצון נוסף ל-SO₃. בנוכחות אדי מים, הדבר יכול להוביל להיווצרות חומצה גופרתית (H₂SO₄) והתעבותה על משטחים קרים יותר. תופעה זו היא אחת הסיבות לקורוזיה בנקודת הטל החומצית.
הבעיה מתרחשת בין היתר בדוודים, מערכות חימום אוויר, תעלות גזי פליטה, ארובות ומערכות השבת חום. אזורים עם טמפרטורות פני שטח נמוכות מקומיות נמצאים בסיכון מיוחד.
אין נקודת טל חומצית אחת ואוניברסלית לכל גזי הפליטה. היא תלויה בגורמים כגון תכולת אדי מים, SO₃, לחצים חלקיים של רכיבים ותנאי תהליך. לכן, יש לקבוע ערך זה עבור התקנה ספציפית.

קורוזיה עקב עיבוי

קורוזיה כתוצאה מעיבוי מתרחשת כאשר נוצר נוזל מעובה המכיל רכיבי גז מומסים על פני מתכת. האלקטרוליט שנוצר מאפשר התפתחות של תהליכים אלקטרוכימיים קלאסיים.
לעיבוי עשוי להיות רמת pH נמוכה ולהכיל סולפטים, כלורידים ותרכובות אגרסיביות אחרות. בתנאים אלה, עלולות להתפתח קורוזיה כללית, קורוזיה של שקעים וקורוזיה, ובתנאים מתאימים, צורות אחרות של קורוזיה מקומית.
הרטבה וייבוש מחזוריים חשובים גם הם. כאשר המים מתאדים, מלחים ותרכובות אחרות נשארים על פני השטח, והריכוז המקומי שלהם יכול להיות גבוה פי כמה מזה של המעובה הראשוני.

השפעת תרכובות גופרית

גופרית יכולה להשפיע על חומרים בצורה שונה בהתאם לטמפרטורה ולהרכב האטמוספרי. בטמפרטורות גבוהות, סביבות המכילות תרכובות גופרית עלולות לגרום לגופרית מתכת, כלומר, להיווצרות סולפידים. שכבות גופרית מספקות לעיתים קרובות הגנה פחותה משמעותית משכבות תחמוצת הכרום היציבות הנוצרות על פלדות עמידות בחום.
בטמפרטורות נמוכות יותר, תרכובות גופרית יכולות להשתתף ביצירת עיבוי חומצי. לכן, נוכחות גופרית עשויה להיות חשובה הן לקורוזיה בטמפרטורה גבוהה והן לקורוזיה עקב עיבוי בטמפרטורה נמוכה.

השפעת כלור וכלורידים

כלור הוא מרכיב מסוכן במיוחד בסביבות בעירה רבות. תרכובות כלור יכולות להימצא, למשל, במהלך בעירה של פסולת, ביומסה ודלקים המכילים כלור. בטמפרטורות גבוהות, הן יכולות להשתתף בתגובות המובילות להרס מואץ של שכבות מגן על משטחי סגסוגת.
ברגע שמתרחשת עיבוי, נוכחות כלורידים יכולה להגביר עוד יותר את הסיכון לקורוזיה מקומית של פלדות אל חלד. לכן, סביבה המשלבת לחות, כלורידים, טמפרטורה גבוהה ומחזורי עיבוי יכולה להיות אגרסיבית משמעותית מהצפוי מניתוח גורם יחיד.

חמצון בטמפרטורה גבוהה

בטמפרטורות גבוהות, מתכות יכולות להגיב ישירות עם החמצן הכלול בגז. עמידות החומר תלויה במידה רבה בסוג וביציבות של שכבת התחמוצת שנוצרת.
בפלדות עמידות בחום, כרום משחק תפקיד משמעותי, שכן הוא יכול ליצור שכבת מגן של תחמוצת כרום (Cr₂O₃). בכמה סגסוגות עמידות בטמפרטורה גבוהה, גם אלומיניום משחק תפקיד משמעותי, ומאפשר היווצרות של שכבת Al₂O₃ יציבה מאוד.
שכבת המגן חייבת להיות לא רק יציבה מבחינה כימית, אלא גם להידבק היטב למצע ולשמור על רציפות במהלך שינויי טמפרטורה. חימום וקירור מחזוריים עלולים לגרום למאמץ, סדקים והתרופפות של האבנית, ולחשוף את פני המתכת הטריים.

משקעים, אפר וקורוזיה מתחת למשקעים

במערכות גזי פליטה, משטחי מתכת מכוסים לעתים קרובות באבק, פיח, אפר ותוצרי תהליך. משקעים אינם רק בעיה מכנית. הם יכולים ללכוד לחות ותרכובות אגרסיביות, להגביל מעבר מסה וליצור מיקרו-סביבות מקומיות בעלות הרכב שונה משמעותית מזרם הגז הראשי.
בטמפרטורות גבוהות, חלק ממרכיבי המשקע יכולים ליצור פאזות נוזליות או תערובות מלחים בעלי התכה נמוכה, אשר מאיצות משמעותית את פירוק החומרים. תופעות כאלה משמעותיות במיוחד בדוודים, במשרפות ובמתקנים אחרים הפועלים עם דלקים או חומרי גלם המכילים גופרית, כלור, נתרן, אשלגן ומרכיבי אפר אחרים.

קורוזיה חמה

במתקנים מסוימים בטמפרטורה גבוהה, מלחים מותכים יכולים להיווצר או להצטבר על פני המתכת. נוכחותם עלולה להוביל למה שמכונה קורוזיה חמה. מלחים מותכים יכולים להרוס את שכבות התחמוצת המגנות ולגרום לבלאי מהיר מאוד של החומר.
תופעה זו משמעותית במיוחד בטורבינות גז, דוודים, מתקני בעירה וציוד אחר שבו מתרחשים בו זמנית טמפרטורות גבוהות ומשקעים המכילים מלחים אגרסיביים. יש להתייחס לקורוזיה חמה כאל מקרה מיוחד של התפרקות בטמפרטורה גבוהה, ולא לקורוזיה אטמוספרית רגילה.

השפעת מהירות זרימת גזי הפליטה

מהירות גז גבוהה ונוכחות של חלקיקים מוצקים עלולות לגרום להסרה מכנית של שכבות תוצרי קורוזיה. אם שכבת התחמוצת המגנה נשחקת באופן מתמיד, פני המתכת נחשפים מחדש ויכולים להגיב מהר יותר עם הסביבה.
בתנאים כאלה, קורוזיה ושחיקה יכולות לפעול בו זמנית. תופעה זו, המכונה שחיקה-קורוזיה, יכולה להוביל לאובדן חומרים הרבה יותר מהר מאשר כל אחד מהתהליכים פועל בנפרד.

פלדות פחמן בגזים וגזי פליטה

פלדות פחמן משמשות בדרך כלל במערכות בעירה, אך עמידותן תלויה במידה רבה בטמפרטורה ובפוטנציאל העיבוי. בתנאים יבשים ובטווח הטמפרטורות המתאים, הן יכולות לפעול למשך תקופות ממושכות, אך מגע עם עיבוי חומצי עלול לגרום לקורוזיה עזה.
בטמפרטורות גבוהות, חמצון והיווצרות אבנית הופכות גם הן למגבלה. לכן, ככל שהטמפרטורות עולות, משתמשים בפלדות סגסוגת, פלדות עמידות בחום וזחילה, וסגסוגות ניקל מתאימות.

פלדות אל-חלד בגזים ובגזי פליטה

פלדות אל-חלד יכולות לספק עמידות גבוהה במערכות גז וגזי פליטה רבות, אך בחירתן צריכה לקחת בחשבון את מנגנון הקורוזיה הדומיננטי. דרגה המתאימה לעיבוי רטוב המכיל כלורידים לא בהכרח תהיה אופטימלית עבור שירות בטמפרטורה גבוהה מאוד.
בסביבה מתעבה, כרום, מוליבדן וניקל, כמו גם עמידות בפני קורוזיה מקומית, חשובים. עם זאת, בטמפרטורות גבוהות, יכולתה של הסגסוגת ליצור שכבת מגן יציבה וקומפקטית הופכת קריטית.

פלדות עמידות בחום וזחילה

עבור שירות בטמפרטורות גבוהות, נעשה שימוש בפלדות המיועדות לעמידות בפני חמצון ולתכונות מכניות. תכולת כרום גבוהה משפרת את היכולת ליצור שכבת Cr₂O₃ מגנה, בעוד שהרכב סגסוגת שנבחר בקפידה מאפשר פעולה בטמפרטורות גבוהות משמעותית מפלדות אל חלד סטנדרטיות 304L או 316L.
עם זאת, חשוב להבחין בין עמידות בחום לעמידות לזחילה. עמידות בחום מתארת ​​בעיקר את עמידותו של חומר להשפעות הכימיות של גזים בטמפרטורות גבוהות, בעוד שעמידות לזחילה מתייחסת ליכולת לשמור על התכונות המכניות הנדרשות במהלך פעולה ממושכת בטמפרטורות גבוהות.

סגסוגות ניקל בסביבות גזיות

סגסוגות ניקל משמשות במתקנים כימיים וטמפרטורות גבוהות תובעניים במיוחד. סגסוגות Ni-Cr ו- Ni-Cr-Mo שנבחרו כהלכה יכולות לשלב עמידות בפני חמצון עם עמידות בפני רכיבים סביבתיים אגרסיביים שונים.
עם זאת, אין סגסוגת ניקל אחת ואוניברסלית העמידה בפני כל גזי הפליטה. חומר המיועד לסביבות מחמצנות מאוד עשוי להתנהג בצורה שונה באטמוספרות המכילות תרכובות גופרית, תרכובות כלור או מלחים מותכים. לכן, יש לנתח את הרכב הגז והמשקעים בקפידה כמו את הטמפרטורה.

בחירה אינדיקטיבית של חומרים לסביבות גז ופליטה

הטבלה היא כללית במהותה. בחירת החומרים צריכה להתבסס על הרכב גזי הפליטה בפועל, טמפרטורת המתכת, פוטנציאל העיבוי, סוג המשקעים והתנאים המכניים.

מתקני שריפת פסולת - סביבה אגרסיבית במיוחד

מתקני שריפת פסולת הם בין היישומים התובעניים ביותר מבחינת קורוזיה בטמפרטורה גבוהה. הרכב הדלק משתנה, וגזי פליטה ומשקעים יכולים להכיל כלור, גופרית ותרכובות מתכות אלקליות. הנוכחות המשולבת של טמפרטורות גבוהות, משקעים ותרכובות אגרסיביות יכולה להוביל לפירוק מהיר מאוד של החומר.
במתקנים כאלה, בחירת החומרים צריכה לקחת בחשבון לא רק את טמפרטורת הגז, אלא גם את טמפרטורת פני השטח של הצינור, את הרכב המשקעים, את תנאי הבעירה המקומיים ואת האפשרות של היווצרות מלח מותך.

דוודים ומחלפי חום

בדוודים ובמחליפי חום, ההבדל בין טמפרטורת הגז לטמפרטורת המתכת חשוב במיוחד. גזי פליטה חמים יכולים לזרום סביב משטח שטמפרטורתו נמוכה משמעותית עקב התווך בצד השני של הדופן.
אם טמפרטורת פני השטח יורדת מתחת לנקודת הטל המתאימה, עיבוי יכול להתחיל. לעומת זאת, בחלקים החמים יותר של אותו מכשיר, חמצון בטמפרטורה גבוהה יכול להשתלט. לכן, מחליף חום יחיד יכול לכסות בו זמנית מספר אזורי קורוזיה נפרדים.

ארובות וארובות

ארובות וצנרת ארובות רגישים במיוחד לקורוזיה כתוצאה מעיבוי, במיוחד במהלך הפעלה, כיבוי ופעולה בעומס נמוך. שינויים בטמפרטורת גזי הפליטה עלולים לגרום לחריגה מנקודת הטל, מה שיגרום למשטח להירטב מעת לעת.
אזורים מבודדים בצורה גרועה, גשרים תרמיים וחלקי מבנים המקוררים מאוד על ידי האוויר שמסביב חשובים גם הם. טמפרטורת פני השטח המקומית שם יכולה להיות נמוכה משמעותית מאשר בשאר המתקן, מה שמגדיל את הסיכון לעיבוי.

כיצד להפחית קורוזיה בגזים ובגזי פליטה?

• לקבוע את ההרכב המלא של הגז וגזי הפליטה, לא רק את הטמפרטורה שלהם,
• לשלוט בטמפרטורת פני השטח של אלמנטים מתכתיים,
• יש לקחת בחשבון את נקודת הטל של המים והחומצה,
• להגביל עיבוי מקומי ויצירת אזורים קרים במבנה,
• לשלוט בתכולת הגופרית, הכלור ומרכיבים אגרסיביים אחרים,
• להגביל את שקיעת האבק, האפר והמלח על משטחי חילופי חום,
• בחר חומר בנפרד עבור אזורי טמפרטורה גבוהה ואזורי עיבוי,
• יש לקחת בחשבון מחזורי חימום וקירור ואת האפשרות של התנתקות אבנית,
• לנתח את מהירות הזרימה ואת נוכחותם של חלקיקים ארוזיביים,
• יש לקחת בחשבון תנאי הפעלה, עצירה ועומס חלקי.

כיצד לבחור חומר לגזים וגזי פליטה?

הצעד הראשון צריך להיות קביעת הרכב הגז, הטמפרטורות המינימליות והמקסימליות, וטמפרטורת פני המתכת בפועל. לאחר מכן, יש לקבוע את הפוטנציאל לעיבוי מים או חומצה ואת הרכב המעובה שנוצר.
במתקנים בטמפרטורה גבוהה, יש לבצע ניתוח נוסף של תכולת החמצן, הגופרית, הכלור ואדי המים, כמו גם של הרכב האפר והמשקעים. שינויי טמפרטורה, עומס מכני ועמידות החומר לזחילה הם גם שיקולים חשובים.
בחירת חומר המבוסס אך ורק על טמפרטורת ההפעלה המקסימלית שלו עלולה להיות לא מדויקת. דרגה עמידה בפני חמצון באוויר נקי לא בהכרח תציג את אותה עמידות בגזי פליטה המכילים כלור, גופרית או משקעים אגרסיביים.

קורוזיה בגזים ובגזי פליטה מקיפה קבוצה רחבה של תהליכים התלויים בהרכב האטמוספרי, בטמפרטורה ובפוטנציאל העיבוי. בטמפרטורות גבוהות, חמצון, גופרית ותגובות גזיות אחרות, כמו גם השפעת משקעים, עשויים להשתלט. באזורים קרים יותר, קורוזיית עיבוי, כולל קורוזיה מנקודת טל חומצית, הופכת למשמעותית במיוחד.
הטעות הגדולה ביותר בהערכת סביבה כזו היא לנתח רק את טמפרטורת הגז. חשוב גם לקחת בחשבון טמפרטורת פני המתכת, נקודת הטל, הרכב גזי הפליטה, תכולת הגופרית והכלור, נוכחות משקעים, זרימה ומחזורי תפעול של המתקןרק ניתוח של המערכת כולה מאפשר בחירה נכונה של פלדה או סגסוגת לתנאי ההפעלה.

סוגי קורוזיה של פלדה ומתכות

קורוזיה אחידה של פלדה ומתכות
קורוזיה נקודתית של פלדות אל חלד
קורוזיה של חריצים בפלדות אל חלד
קורוזיה בין-גרגירית של נירוסטה
פיצוח קורוזיה מתמשכת (SCC)
קורוזיה גלוונית
קורוזיה ארוזית
קורוזיה קוויטציה
עייפות קורוזיה
קורוזיה סדיקה
קורוזיה מיקרוביולוגית MIC
קורוזיה בטמפרטורה גבוהה

חלוקת קורוזיה לפי סביבה

קורוזיה ימית - קורוזיה של פלדה ומתכות במי ים
קורוזיה אטמוספרית
קורוזיה קרקעית
קורוזיה במים מתוקים ותעשייתיים
קורוזיה בסביבות כלוריד
קורוזיה בסביבות חומציות
קורוזיה בסביבות אלקליות
קורוזיה בגזים ובגזי פליטה
קורוזיה בביוב ובמערכות ביוב
קורוזיה בסביבות כימיות ופטרוכימיות

נושאים קשורים

CPT - טמפרטורת קורוזיה קריטית של פלדות אל-חלד וסגסוגות ניקל
PREN – מדד עמידות בפני קורוזיה בור עבור פלדת אל-חלד
CCT - טמפרטורת קורוזיה קריטית בסדקים של פלדות אל חלד וסגסוגות ניקל