קורוזיה בטמפרטורה גבוהה - מנגנונים, חומרים ומניעה

הורד את התיאור בפורמט PDF

קורוזיה בטמפרטורה גבוהה מכסה את תהליכי ההרס הכימי של מתכות וסגסוגות המתרחשים בטמפרטורות גבוהות תחת השפעת גזים חמים, אדים, תוצרי בעירה, תרכובות גופרית, פחמן, חנקן, הלוגנים, מלחים מותכים ורכיבים סביבתיים אגרסיביים אחרים.
בניגוד לקורוזיה קלאסית המתרחשת בסביבה מימית, קורוזיה בטמפרטורה גבוהה אינה דורשת נוכחות של אלקטרוליט נוזלי.
זה יכול להתרחש בגזים יבשים ובאטמוספרות תהליך בטמפרטורות שבהן מתרחשות תגובות כימיות והובלת יסודות דרך שכבות של תוצרי קורוזיה במהירות רבה.
הצורה הנפוצה ביותר של קורוזיה בטמפרטורה גבוהה היא חִמצוּן, אבל המושג מכסה מנגנונים רבים נוספים.
החשובים ביותר כוללים:

• חמצון בטמפרטורה גבוהה,
• גופרית - סולפידציה,
• קרבוריזציה – קרבוריזציה,
• ניטרידציה ניטרידציה,
• קורוזיה באטמוספרות כלור והלוגן,
• קורוזיה הנגרמת על ידי מלחים מותכים ומשקעים,
• קורוזיה חמה,
• ניקוי אבק מתכת,
• חמצון פנימי וקרבוריזציה פנימית.

קורוזיה בטמפרטורה גבוהה היא אחד הקריטריונים הבסיסיים לבחירת חומרים עבור תנורים תעשייתיים, מתקני חשמל, פטרוכימיה, בתי זיקוק, רפורמרים, מתקני בעירה, מחליפי חום, דוודים, ציוד מלט ותעשיית המתכת.

מאיזו טמפרטורה מדברים על קורוזיה בטמפרטורה גבוהה?

אין מגבלת טמפרטורה אוניברסלית אחת.
בפרקטיקה התעשייתית, המושג של קורוזיה בטמפרטורה גבוהה משמש לעתים קרובות לתהליכים המתרחשים בטמפרטורות מעל בערך 400 ° C, בעוד שפלדות מיוחדות עמידות בחום וזחילה נבחרות לרוב לפעולה ארוכת טווח מעל כ. 550 ° C.
עם זאת, מגבלה זו תלויה ב:

• סוג החומר,
• הרכב האטמוספירה,
• לַחַץ,
• זמן חשיפה,
• נוכחות של משקעים ומלחים מותכים,
• מחזורי חימום וקירור.

מנגנונים אגרסיביים ביותר יכולים להתרחש בטמפרטורות נמוכות בהרבה מטמפרטורות ההפעלה האופייניות של תנורים תעשייתיים.

עמידות בחום ועמידות לזחילה - הן לא אותו דבר

בבחירת חומר לטמפרטורות גבוהות, יש להבחין בין שני מושגים בסיסיים.
עמידות בחום פירושו עמידות החומר לפעולה הכימית של גזים חמים ולהיווצרות אבנית.
עמידות לזחילה פירושו יכולתו של חומר לעמוד בעומסים מכניים לאורך זמן בטמפרטורות גבוהות, בעיקר עמידות לזחילה.
לכן, החומר יכול להכיל:

• עמידות טובה מאוד בחום, אך חוזק מכני לא מספק,
• עמידות טובה לזחילה, אך עמידות לא מספקת באטמוספרות תהליך ספציפיות.

לכן, לא ניתן לבחור חומר לשירות בטמפרטורה גבוהה אך ורק על סמך טמפרטורת החמצון המקסימלית.
יש לקחת בחשבון גם זחילה, יציבות מבנית, עומס, זמן פעולה והרכב אטמוספרי.

מהו חמצון בטמפרטורה גבוהה?

כאשר מתכת מחוממת באטמוספרה המכילה חמצן, מתחילה תגובת חמצון על פני השטח שלה.
במילים פשוטות:
מתכת + חַמצָן תחמוצת מתכת
במקרה של ברזל, בין היתר, עשויים להתרחש הדברים הבאים:

• FeO,
• Fe₃O₄,
• Fe₂O₃.

בפלדות סגסוגת גבוהה, לעומת זאת, היווצרות תחמוצות מגן של יסודות סגסוגת חשובה הרבה יותר, בעיקר:

• Cr₂O₃ – תחמוצת כרום,
• Al₂O₃ – תחמוצת אלומיניום,
• סו₂ – תחמוצת סיליקון.

יכולתה של הסגסוגת ליצור שכבת תחמוצת קומפקטית, יציבה ודבוקה היטב היא שקובעת במידה רבה את עמידותה בחום.

קנה מידה - מתי הוא מגן ומתי הוא הורס?

שכבת תוצרי החמצון שנוצרת על פני המתכת נקראת סוּלָם.
נוכחות אבנית גרידא אינה אומרת שהחומר ניזוק באופן אינטנסיבי.
שכבת הגנה טובה צריכה להיות:

• קוֹמפָּקטִי,
• רָצִיף,
• נקי ממספר רב של נקבוביות וסדקים,
• מחובר היטב למצע,
• יציב מבחינה תרמודינמית,
• יוני חמצן ומתכת חודרים לאט,
• עמיד בפני שינויי טמפרטורה מחזוריים.

אם האבנית עומדת בתנאים אלה, היא משמשת כמחסום המגביל תגובה נוספת של החומר עם האטמוספירה.
עם זאת, אם היא נסדקת, מתקלפת, מתרופפת או הופכת לנקבוביה, מתכת טרייה נחשפת ותהליך החמצון מתחיל שוב.

מדוע כרום מגביר את עמידות החום?

כרום הוא אחד היסודות החשובים ביותר המגבירים את עמידות הפלדה בפני חמצון בטמפרטורה גבוהה.
עם תכולת כרום גבוהה מספיק, עשויה להיווצר שכבה קומפקטית על פני הסגסוגת:
Cr₂O₃
שכבה זו מגבילה באופן משמעותי את הובלת החמצן לתוך החומר ואת הובלת יוני המתכת לעבר פני השטח.
ככל שתכולת הכרום עולה, בדרך כלל העמידות בפני חמצון עולה.
מסיבה זו, פלדות המיועדות לשירות בטמפרטורה גבוהה עשויות להכיל כ-18-25% Cr, וסגסוגות מיוחדות לטמפרטורה גבוהה אף יותר.

תפקידו של האלומיניום

אלומיניום יכול ליצור שכבה יציבה מאוד:
Al₂O₃
כלומר תחמוצת אלומיניום.
שכבה זו מהווה מחסום יעיל ביותר בטמפרטורות גבוהות מאוד.
מסיבה זו, אלומיניום נמצא בפלדות פריטיות מיוחדות רבות וסגסוגות ניקל המיועדות לתנאים קיצוניים.
במיוחד מעל שכבות מבוססות אלומיניום בטמפרטורה של כ-1000 מעלות צלזיוס₂O₃ יכול לספק הגנה טובה יותר מאשר שכבת ה-Cr הקלאסית₂O₃.

תפקידו של הסיליקון

סִילִיקוֹן לעיתים קרובות מוגבר במכוון בפלדות עמידות בחום.
מקדם היווצרות שכבות מגן עשירות ב-SiO2₂ ויכול להפחית את קצב החמצון.
לכן, בז'אנרים כמו:

• 1.4828,
• 1.4841,
• 1.4835 / 253 מיליאמפר

תכולת הסיליקון גבוהה יותר מאשר בפלדות אל חלד טיפוסיות המיועדות בעיקר לשימוש בסביבות מימיות.

תפקידו של ניקל

ניקיאל מייצב את המבנה האוסטניטי וחשוב מאוד לתכונות המכניות של חומרים בטמפרטורות גבוהות.
זה מגביר, בין היתר:

• יציבות המבנה האוסטניטי,
• עמידות לזחילה,
• עמידות בפני קרבוריזציה,
• עמידות לאטמוספרות מחזרות רבות.

עם זאת, תכולת ניקל גבוהה אינה מועילה בכל התנאים.
באטמוספרות מחזרות המכילות תרכובות גופרית, ניקל יכול ליצור תרכובות Ni-S בעלות התכה נמוכה.
לכן, חומרים עתירי ניקל עשויים להיות רגישים מאוד לצורות מסוימות של גופרתי.

תפקידם של יסודות אדמה נדירים

תוספות קטנות של צריום, לנתן, איטריום או יסודות ריאקטיביים אחרים יכולות להשפיע חזקה מאוד על תכונות האבנית.
הם משפרים, בין היתר:

• הידבקות של שכבת התחמוצת,
• עמידות בפני התרופפות,
• עמידות לחימום וקירור מחזוריים.

דוגמה לכך היא פלדה 1.4835 / 253 מיליאמפר, המכיל תוספת צריום.
זה מאפשר עמידות טובה מאוד לחמצון מחזורי למרות תכולת ניקל נמוכה יותר מאשר בכמה פלדות 25Cr-20Ni קלאסיות.

קינטיקה של חמצון - מדוע אבנית מאטה קורוזיה?

אם שכבת התחמוצת שנוצרת היא מגנה, צמיחת האבנית נשלטת לעתים קרובות על ידי דיפוזיה של יסודות דרך השכבה הקיימת.
במקרים רבים כאלה, ניתן לתאר את קצב החמצון באמצעות קשר דומה לחוק הפרבולי:
x² = k_p · ט
איפה:

• x – עובי שכבת התחמוצת,
• k_p – קבוע קצב חמצון,
• t - זמן.

משמעות הדבר היא שככל שעובי הסקאלה הקומפקטית עולה, חמצון נוסף הופך איטי יותר.
עם זאת, אם השכבה אינה רציפה, נסדקת או נופלת, האופי המגן אובד וקצב הבלתי נסבל יכול לעלות משמעותית.

חמצון ליניארי וקטסטרופלי

אם תוצרי קורוזיה אינם יוצרים מחסום יעיל, אובדן החומר עשוי לגדול באופן ליניארי בקירוב עם הזמן.
מסוכן עוד יותר הוא המצב שבו תכונות ההגנה של האבנית אובדות במהירות.
תהליך זה יכול להוביל ל חמצון מתנתק, כלומר מעבר פתאומי מחמצון מגן איטי לפירוק מהיר מאוד.
הסיבות עשויות לכלול:

• דלדול כרום בשכבת השטח,
• סדקים של אבנית,
• התרופפות של תחמוצות,
• שינוי הרכב האטמוספירה,
• חריגה מטמפרטורת ההפעלה של החומר.

חימום וקירור מחזוריים

תנאים מחזוריים בדרך כלל תובעניים יותר מאשר פעולה בטמפרטורה קבועה.
למתכת ולאבנית יש מקדמי התפשטות תרמית שונים.
במהלך קירור וחימום חוזר, נוצרים מאמצים בשכבת התחמוצת.
הם יכולים להוביל ל:

• סדקים של אבנית,
• ההתרופפות שלו,
• מתקלף,
• חשיפת מתכת טרייה.

ברגע שהשכבה נופלת, החומר חייב ליצור אותה מחדש על ידי צריכת כמויות נוספות של כרום, אלומיניום או יסודות סגסוגת אחרים.
לכן, טמפרטורת ההפעלה המקסימלית בתנאים רציפים לא בהכרח תואמת לטמפרטורת ההפעלה הבטוחה בתנאים של מחזורי חימום תכופים.

השפעת אדי מים על חמצון

אטמוספרה המכילה אדי מים יכולה להיות אגרסיבית יותר מאוויר יבש.
אדי מים יכולים:

• לשנות את מנגנון גידול הסקאלה,
• להגביר את קצב החמצון,
• לפגוע בהידבקות של השכבה,
• לקדם היווצרות של תרכובות כרום נדיפות בתנאים מסוימים.

לכן, אין להניח באופן אוטומטי את הטמפרטורות המותרות באוויר יבש עבור אדי מים או גזי תהליך לחים.

סולפידציה - קורוזיה באטמוספרות המכילות גופרית

סולפידציה היא תגובה בטמפרטורה גבוהה של החומר עם תרכובות גופרית.
זה יכול להתרחש באטמוספרות המכילות, בין היתר:

• H₂S,
• SO₂,
• SO₃,
• אדי גופרית,
• תרכובות גופרית אחרות הקיימות בגזי תהליך ובגזי פליטה.

סולפידים בדרך כלל פחות מגנים מתחמוצות המקבילות להם.
ייתכן שיש להם קצב צמיחה מהיר יותר, יותר פגמים ונקודת התכה נמוכה יותר.
באטמוספרות מחזרות המכילות גופרית, תכולת ניקל גבוהה עשויה להיות שלילית במיוחד.
ניקל יכול ליצור תרכובות ניקל-גופרית בעלות התכה נמוכה, מה שמוביל לפירוק מהיר מאוד.
לכן, באטמוספרות מסוימות של גופרית מחזרת, פלדות פריטיות המכילות כרום גבוה ומעט ניקל או ללא ניקל עשויות לבצע ביצועים טובים יותר מפלדות אוסטניטיות עתירות ניקל.

אטמוספרה מחמצנת ומחזרת

אותו חומר יכול להתנהג בצורה שונה לחלוטין בהתאם לפוטנציאל החמצן של האטמוספירה.
באווירה מחמצנת מתאימה, עשויה להיווצר שכבת Cr מגנה.₂O₃ או אל₂O₃.
באטמוספרה בעלת חמצון גבוה, כמות החמצן הזמין עשויה להיות קטנה מדי כדי לשמור על שכבת מגן רציפה.
אז עמידות החומר תלויה באופן ישיר הרבה יותר בהרכבו ובעמידותו בפני:

• גופרית,
• קרבוריזציה,
• ניטרידציה,
• פעולת המימן,
• הלוגנים.

עצם הקביעה שאטמוספרה "מתחזקת" אינה אומרת שאף רכיב מסגסוגת אינו יכול להתחמצן. כרום, סיליקון ואלומיניום יכולים ליצור תחמוצות אפילו בפוטנציאלי חמצן נמוכים מאוד.

קרבוריזציה בטמפרטורה גבוהה – קרבוריזציה

קרבוריזציה כרוך בחדירת פחמן לחומר בעת פעולה באטמוספרה עם פעילות פחמן גבוהה.
זה יכול להתרחש, בין היתר, בגזים המכילים:

• מה,
• CH₄,
• פחמימנים אחרים,
• גזים מתחזרים,
• אטמוספירה של תנורים פטרוכימיים.

פחמן מתפזר לתוך החומר ומגיב בעיקר עם כרום ליצירת קרבידים.
ההשלכות עשויות להיות:

• שחרור כמויות גדולות של כרום קרבידים,
• הפחתת תכולת הכרום במטריצה,
• שבירות החומר,
• ירידה בפלסטיות,
• הידרדרות בעמידות בפני חמצון וסולפידציה נוספים,
• שינויים במידות האלמנט.

העמידות בפני קרבוריזציה מוגברת בעיקר על ידי תכולה שנבחרה כראוי:

• נִיקֵל,
• כרום,
• סִילִיקוֹן,
• אֲלוּמִינְיוּם.

שכבת תחמוצת רציפה המונעת מעבר של פחמן לתוך החומר יכולה גם היא להיות יעילה מאוד.

אבק מתכת - צורה הרסנית במיוחד של קורוזיה

ניקוי אבק מתכת זוהי צורה אגרסיבית מאוד של קורוזיה בטמפרטורה גבוהה המתרחשת באטמוספרות עם פעילות פחמן גבוהה.
התופעה קשורה קשר הדוק לקרבוריזציה, אך השפעתה עשויה להיות התפרקות מוחלטת של החומר לתערובת:

• חלקיקי מתכת,
• קרבידים,
• פֶּחָם,
• מוצרי קורוזיה.

שקעים מקומיים אופייניים, מכתשים ותוצר כהה ואבקי נוצרים על פני השטח - ומכאן השם ניקוי מתכות.
התופעה חשובה במיוחד באטמוספרות תהליך המכילות CO, H₂ ופחמימנים, כולל:

• רפורמטורים,
• מתקני ייצור מימן,
• מתקני סינתזת גז,
• תעשייה פטרוכימית.

אבק מתכת קשור במיוחד לטווח טמפרטורות של כ- 400-800 מעלות צלזיוס , אם כי התנאים המדויקים להופעתו תלויים בהרכב ובלחץ של הגז והחומר.

ניטרידציה בטמפרטורה גבוהה

ניטרידציה – ניטרידציה כרוך בחדירת חנקן לחומר ויצירת ניטרידים.
זה יכול להתרחש באטמוספרות המכילות חנקן, אמוניה או תרכובות חנקן פעילות אחרות עם זמינות חמצן נמוכה.
היווצרות ניטרידים יכולה להוביל ל:

• שְׁבִירוּת,
• הפחתת פלסטיות,
• שינויים במבנה,
• דלדול כרום מהמטריקס,
• הידרדרות של תכונות מכניות.

כמו בקרבוריזציה, הגנה יעילה יכולה להינתן על ידי שכבת תחמוצת יציבה המגבילה את הובלת החנקן לתוך החומר.

קורוזיה של כלור ופעולת הלוגן

כלור ותרכובותיו עלולים לגרום לקורוזיה אגרסיבית מאוד בטמפרטורה גבוהה.
הבעיה מתרחשת, בין היתר, ב:

• מתקני שריפת פסולת,
• דוודים השורפים דלקים המכילים כלור,
• תעשייה כימית,
• תהליכים המכילים HCl או Cl₂.

כלורידים של מתכת עשויים להיות נדיפים או בעלי נקודת התכה נמוכה.
בתנאים מסוימים, מנגנון המכונה חמצון פעיל.
כלור חודר לשכבת תוצר הקורוזיה ומגיב עם המתכת ליצירת כלורידים, אשר לאחר מכן נעים לעבר החלק המחמצן יותר של האבנית.
שם הם יכולים להתחמצן שוב, ולשחרר כלור המסוגל לתגובה נוספת.
נוצר מנגנון מחזורי שיכול להוביל לאובדן חומרי מהיר מאוד.

קורוזיה תחת משקעים ומלחים מותכים

משקעים המושקעים על פני השטח של יסודות עשויים לכלול, בין היתר:

• גוֹפרִית,
• כלורידים,
• ונדטים,
• תרכובות נתרן ואשלגן,
• אפר,
• תוצרי בעירה.

לאחר שמגיעים לטמפרטורה המתאימה, תערובת המלח עשויה להימס חלקית או לחלוטין.
מלח נוזלי יכול להרוס את שכבת התחמוצת המגנה ולאפשר ליונים לעבור במהירות רבה.
כתוצאה מכך, קצב הקורוזיה יכול להיות גבוה פי כמה מאשר במהלך חמצון בגז נקי.

קורוזיה חמה

פגישה קורוזיה חמה משמש בעיקר לקורוזיה מואצת בטמפרטורה גבוהה הקשורה לנוכחות מלחים מותכים.
הבעיה ידועה במיוחד בשל:

• טורבינות גז,
• דוודים,
• מנועים,
• מתקני בעירה של דלק כבד,
• סביבות ימיות.

תערובות המכילות סולפטים, כלורידים וואנדאטים עלולות להיות מסוכנות במיוחד.
מלח מותך יכול להמיס את שכבת התחמוצת המגן, ולגרום לה להתדרדר ללא הרף ולחשוף את המצע.

חמצון פנימי

תוצרי תגובה לא תמיד נוצרים אך ורק על פני החומר.
אם חמצן מתפזר לתוך פנים הסגסוגת מהר יותר ממה שהיסוד הספציפי של הסגסוגת יכול להגיע לפני השטח, חמצון פנימי.
לאחר מכן נוצרות תחמוצות מתחת לפני השטח של החומר.
זה יכול להוביל ל:

• היחלשות שכבת השטח,
• אובדן של יסודות סגסוגת,
• הידרדרות של תכונות מכניות,
• מקלים על הידרדרות נוספת.

ספליציה

אבנית יכולה להגן על החומר רק אם הוא נשאר דבוק לפני השטח.
ניתוקו מכונה סלידה.
הסיבות כוללות:

• הבדלים בהתפשטות תרמית של מתכת ותחמוצת,
• מחזורים תרמיים,
• עלייה בלחץ בקנה מידה עבה,
• שינויי פאזה,
• רעידות ועומסים מכניים.

ברגע שהאבנית נופלת, המתכת החשופה מתחמצנת שוב במהירות רבה.
בתנאים מחזוריים, החומר יכול לאבד מסה הרבה יותר מהר מאשר במהלך פעולה איזותרמית.

יסודות הסגסוגת החשובים ביותר בחומרים עמידים בחום

מדוע פלדות 304 ו-316 אינן פלדות טיפוסיות עמידות בחום?

לֹא טָרִי 1.4301 / 304 i 1.4401 / 316 הם יכולים לפעול בטמפרטורות גבוהות, אך פותחו בעיקר לעמידות בפני קורוזיה בסביבות מימיות.
אין לראות בהם באופן אוטומטי כתחליף לפלדות מיוחדות עמידות בחום.
316 בפרט מכיל מוליבדן, שהוא מועיל ביותר לעמידות בפני קורוזיה בסביבות מימיות, אך אינו יסוד סגסוגת עיקרי המשמש בפלדות בטמפרטורה גבוהה מאוד.
לפלדות מיוחדות בטמפרטורה גבוהה יש הרכב אופטימלי עבור:

• יצירת קנה מידה מגן,
• לִזחוֹל,
• יציבות מבנית,
• חמצון מחזורי,
• אטמוספרות תהליך ספציפיות.

1.4828 – פלדה עמידה בחום בערך 20Cr-12Ni-Si

סטאל 1.4828 הוא חומר עמיד בחום אוסטניטי המכיל כ-19-20% כרום, כ-11-12% ניקל ותכולת סיליקון מוגברת.
סיליקון מגביר את העמידות בפני חמצון, ולכן 1.4828 מתאים הרבה יותר לפעולה בטמפרטורה גבוהה מאשר פלדת 304 קלאסית.
יישומים אופייניים כוללים:

• אלמנטים של תנור,
• כיסויים,
• אלמנטים של מחליף,
• ציוד לטיפול בחום,
• אלמנטים של מתקנים תעשייתיים הפועלים בגזים חמים.

טמפרטורת היישום המקסימלית המשוערת באוויר, בהתאם לנתונים הקשורים ל- EN 10095, היא בערך. 1000 ° C.
עם זאת, אין פירוש הדבר באופן אוטומטי את הטמפרטורה המותרת של האלמנט המוטען מכנית.

1.4841 / AISI 314 – עמידות גבוהה לחמצון

סטאל 1.4841 / AISI 314 היא פלדה אוסטניטית עתירת כרום וניקל עם תוספת של סיליקון.
קומפוזיציה אופיינית כוללת בערך:

• 24–25% קרום,
• כ-19–20% ניקל,
• תכולת Si מוגברת.

השילוב של תכולת כרום וסיליקון גבוהה מספק עמידות טובה מאוד בפני חמצון.
המין משמש, בין היתר, ל:

• אלמנטים של תנור,
• סורגים,
• מתלים,
• אלמנטים של ציוד טיפול בחום,
• חלקים הפועלים בגזים חמים.

עבור פעולה באוויר, טמפרטורת היישום המקסימלית המשוערת היא כ -1150 מעלות צלזיוס.

1.4845 / 310S

סטאל 1.4845 / 310S / UNS S31008 מכיל כ-25% כרום ו-20% ניקל.
זוהי פלדה אוסטניטית קלאסית בטמפרטורה גבוהה עם עמידות טובה מאוד לחמצון ותכונות מכניות טובות בטמפרטורות גבוהות.
הוא משמש, בין היתר, ב:

• תנורים תעשייתיים,
• ציוד פטרוכימי,
• דוודים,
• תרמו-וולס,
• אלמנטים של מכשירים תרמיים.

טמפרטורת היישום המקסימלית המשוערת הניתנת לפעולה באוויר היא בערך 1050 ° C.
ראוי לציין שתכולת כרום גבוהה יותר לבדה אינה אומרת באופן אוטומטי טמפרטורה מותרת גבוהה יותר מאשר עבור 1.4841. הרכב הסגסוגת הכולל והתנהגות האבנית חשובים.

1.4835 / 253 מיליאמפר

1.4835 / 253 MA / UNS S30815 היא פלדה אוסטניטית מודרנית יותר שפותחה במיוחד לפעולה בטמפרטורה גבוהה.
מכיל בערך:

• 21% קרום,
• 11% ניקל,
• כ-1,6% סיליציום,
• אזוטה,
• תוספת קטנה של צריום.

תוספת צריום משפרת את הידבקות האבנית, וחנקן מגביר את עמידות הזחילה.
החומר מאופיין בעמידות טובה מאוד בפני:

• חמצון מתמשך,
• חמצון מחזורי,
• קרבוריזציה,
• אטמוספרות רבות בעלות טמפרטורה גבוהה.

טמפרטורת ההפעלה המקסימלית מצוינת כ -1150 מעלות צלזיוס , בהתאם לתנאי היישום.

פלדות עמידות בחום פריטיות Cr-Si-Al

פלדות פריטיות המכילות כרום, סיליקון ואלומיניום משמשות גם הן לפעולה בטמפרטורה גבוהה.
דוגמאות למינים כוללות:

• 1.4713,
• 1.4724,
• 1.4742,
• 1.4762.

היתרון החשוב שלהם הוא היעדר ניקל או תכולת ניקל נמוכה מאוד.
זה יכול להיות מועיל במיוחד בהפחתת אטמוספרות המכילות גופרית.
סיליקון ואלומיניום משפרים את היכולת ליצור אבנית מגן.
לפלדות פריטיות יש גם:

• מקדם התפשטות תרמית נמוך יותר מאשר פלדות אוסטניטיות,
• עמידות טובה לכמה אטמוספרות גופרית,
• עמידות טובה לחמצון.

המגבלות שלהם עשויות להיות עמידות נמוכה יותר לזחילה ואפשרות לשינויים מבניים או שבירות בטווחי טמפרטורות מסוימים.

השוואה בין פלדות נבחרות בטמפרטורה גבוהה

הטמפרטורות המפורטות הן משוערות ומתייחסות לעמידות לחמצון באוויר. הן אינן טמפרטורת תכנון מותרת אוניברסלית לכל רכיב.

מדוע "טמפרטורת פעולה מקסימלית" עשויה להיות מטעה?

מספר אחד שניתן בגיליון נתוני החומר אינו מתאר את כל תנאי ההפעלה בפועל.
הטמפרטורה המקסימלית תלויה ב:

• אַטמוֹספֵרָה,
• זמן עבודה,
• עומס מכני,
• תדירות שינויי הטמפרטורה,
• עובי האלמנט,
• נוכחות של גופרית, כלור או פחמן,
• משקעים,
• קצב זרימת הגז.

חומר עמיד ל-1100 מעלות צלזיוס באוויר דומם עלול להתבלות במהירות בטמפרטורה נמוכה בהרבה באטמוספרה קרבורטיבית, גופרתית או כלורית מאוד.

זחילת חומר בטמפרטורה גבוהה

מעל טמפרטורה מסוימת, חומר יכול להתעוות בהדרגה תחת מאמץ מתמיד גם כאשר המאמץ נמוך בהרבה מחוזק הכניעה לטווח קצר שלו.
תופעה זו נקראת זְחִילָה.
התהליך כולל בדרך כלל:

• זחילה ראשונית,
• זחילה יציבה,
• זחילה מואצת המובילה לסדיקה.

בעת תכנון רכיבים שיפעלו במשך אלפי שעות בטמפרטורות של 600-1000 מעלות צלזיוס, תכונות הזחילה עשויות להיות חשובות יותר מהחוזק שנקבע על ידי בדיקת מתיחה קצרה.

קורוזיה וזחילה בטמפרטורה גבוהה

שתי התופעות יכולות לפעול בו זמנית.
קורוזיה מפחיתה את חתך הרוחב האפקטיבי של האלמנט ויכולה לגרום לאי סדרים מקומיים על פני השטח.
זחילה, לעומת זאת, גורמת לעיוות הדרגתי ולנזק מבני.
כתוצאה מכך, ניתן להאיץ את פירוק הרכיבים עקב פעולה בו זמנית של:

• טמפרטורה גבוהה,
• עומס מכני,
• אווירה אגרסיבית.

לכן, בעת בחירת חומר לתנורים, רפורמרים, צינורות קורנים או מחממי-על, יש לנתח בו זמנית את עמידות החום ואת עמידות הזחילה.

יציבות מבנית של פלדה בטמפרטורות גבוהות

חשיפה ממושכת לטמפרטורות גבוהות עלולה לגרום לשינויים מיקרו-מבניים.
אלה עשויים לכלול, בין היתר:

• משקעי קרביד,
• הפרדת פאזות בין-מתכתיות,
• צמיחת תבואה,
• שבירות לאחר חשיפה ממושכת,
• שינויים בתכונות מכניות.

לכן, חומר שיש לו בתחילה את הפרמטרים המתאימים עשוי להתנהג בצורה שונה לאחר מספר או עשרות אלפי שעות פעולה.

קורוזיה בטמפרטורה גבוהה בדוודים ובתעשיית האנרגיה

בדוודים ובמתקני בעירה, הבעיה מורכבת במיוחד משום שהמשטח עלול להיות מושפע בו זמנית על ידי:

• חַמצָן,
• SO₂ ו-אז₃,
• הידרוכלוריד,
• כלורידים,
• גוֹפרִית,
• אפר,
• מלחים מותכים,
• אדי מים.

הרכב הדלק יכול להיות חשוב לא פחות מהטמפרטורה.
דלקים המכילים כמויות גדולות של כלור, גופרית, נתרן, אשלגן או ונדיום יכולים להיות אגרסיביים במיוחד.

קורוזיה בטמפרטורה גבוהה בפטרוכימיה

במתקנים פטרוכימיים ישנן אטמוספרות נוספות:

• קרבוריזציה,
• צמצום,
• המכילים מימן,
• המכיל H2S,
• המכילים CO ופחמימנים.

איומים אופייניים כוללים:

• קרבוריזציה,
• ניקוי אבק מתכת,
• סולפידציה,
• חִמצוּן,
• לִזחוֹל.

לכן, פלדות שנבחרות עבור מתקנים כאלה מכילות לעתים קרובות ריכוזים גבוהים של כרום וניקל או שנעשה שימוש בסגסוגות ניקל מיוחדות.

סגסוגות ניקל בתנאים התובעניים ביותר

אם ההתנגדות של פלדה עמידה בחום אינה מספקת, משתמשים בסגסוגות ניקל מיוחדות.
הם עשויים להכיל כמויות גדולות של:

• קר,
• אל,
• אם,
• שיתוף,
• מו,
• W.

בהתאם להרכבם, הם יכולים לספק עמידות גבוהה ל:

• חִמצוּן,
• קרבוריזציה,
• ניקוי אבק מתכת,
• לִזחוֹל,
• שינויי טמפרטורה.

דוגמה לחומרים שפותחו עבור יישומים קיצוניים הן סגסוגות Ni-Cr-Al היוצרות _שכבת מגן _Al2O3.

מדוע מוליבדן לא תמיד מהווה יתרון?

בסביבות מימיות, מוליבדן הוא אחד היסודות החשובים ביותר המגבירים את עמידותן של פלדות אל חלד בפני קורוזיה נקודתית.
בטמפרטורות גבוהות מאוד המצב עשוי להיות שונה.
תחמוצות מוליבדן עשויות להיות נדיפות או להשתתף ביצירת פאזות בעלות התכה נמוכה.
מסיבה זו, פלדות עמידות בחום טיפוסיות המיועדות לשימוש בטמפרטורות של 800-1100 מעלות צלזיוס לרוב אינן מכילות מוליבדן או הרבה פחות מפלדות המיועדות לקורוזיה רטובה.
זוהי דוגמה טובה שמראה זאת חומר עמיד בפני קורוזיה בטמפרטורת החדר אינו בהכרח חומר אופטימלי ב-1000 מעלות צלזיוס..

כיצד למנוע קורוזיה בטמפרטורה גבוהה?

הבסיס הוא בחירת חומרים נכונה לסביבה בפועל.
יש לקחת בחשבון את הדברים הבאים:

• טמפרטורה מקסימלית וממוצעת,
• זמן חשיפה,
• מחזורי חימום וקירור,
• תכולת חמצן,
• פוטנציאל החמצן של האטמוספירה,
• נוכחות של גופרית,
• נוכחות של כלור,
• פעילות פחמן,
• נוכחות של חנקן ואמוניה,
• אדי מים,
• משקעים ומלחים מותכים,
• מהירות זרימת הגז,
• עומס מכני.

השיטות החשובות ביותר להפחתת קורוזיה בטמפרטורה גבוהה

בהתאם להתקנה, נעשה שימוש באמצעים הבאים:

• בחירת פלדה עם תכולה גבוהה יותר של Cr, Si או Al,
• שימוש בפלדות מיוחדות עמידות בחום,
• שימוש בסגסוגות ניקל,
• שליטה על הרכב האטמוספירה,
• הפחתת זיהום גופרית וכלור,
• הפחתת שקיעת משקעים,
• בקרת טמפרטורת פני השטח,
• הגבלת שינויי טמפרטורה פתאומיים,
• שימוש בציפויי הגנה,
• בדיקות ומדידות שוטפות של עובי האלמנטים.

ציפויים עמידים בטמפרטורה גבוהה

ביישומים מסוימים, ניתן להגן בנוסף על פני החומר.
בין היתר, נעשה שימוש בשכבות המגדילות את התוכן:

• אֲלוּמִינְיוּם,
• כרום,
• סִילִיקוֹן.

המטרה היא ליצור תנאים על פני השטח התורמים להיווצרות מחסום אלומיניום יציב.₂O₃, cr₂O₃ או תחמוצות קומפלקס מקבילות.
ציפויי הגנה מיוחדים ומחסומים תרמיים משמשים גם ברכיבי טורבינה תובעניים במיוחד.

כיצד מעריכים קורוזיה בטמפרטורה גבוהה?

בדיקות מעבדה ותפעוליות מנתחות, בין היתר:

• שינוי במסת הדגימה,
• עובי קנה המידה,
• אובדן חתך מתכתי,
• הידבקות אבנית,
• ההרכב הכימי של מוצרי קורוזיה,
• מיקרו-מבנה של שכבת פני השטח,
• עומק חמצון או קרבוריזציה פנימית.

הניתוח משתמש, בין היתר:

• מיקרוסקופיה אופטית,
• SEM,
• EDS,
• ניתוח קרני רנטגן XRD,
• בדיקות מטלוגרפיות,
• מדידות של שינויי מסה במהלך החשיפה.

קורוזיה בטמפרטורה גבוהה וקורוזיה אלקטרוכימית

הטעות הנפוצה ביותר בבחירת חומר

אחת הטעויות הגדולות ביותר היא בחירת פלדה המבוססת אך ורק על טמפרטורה.
הַצהָרָה:
"פלדה עובדת עד 1100 מעלות צלזיוס"
אינו מספיק.
אתה צריך לדעת:

• 1100 מעלות צלזיוס באיזו אטמוספרה,
• באיזה עומס,
• לכמה זמן,
• האם הטמפרטורה קבועה או מחזורית,
• בין אם יש גופרית, כלור או פחמן,
• האם נוצרים משקעים על פני השטח,
• האם האלמנט חייב לשאת עומסים מכניים.

רק על ידי שילוב מידע זה ניתן לבחור את המין הנכון.

קורוזיה בטמפרטורה גבוהה - המסקנות החשובות ביותר

קורוזיה בטמפרטורה גבוהה היא מושג רחב הרבה יותר מאשר רק חמצון של פני השטח של פלדה.
זה כולל, בין היתר: חמצון, סולפידציה, קרבוריזציה, ניטרידציה, פעולת הלוגן, קורוזיה חמה ואבק מתכת.
מנגנון ההגנה הבסיסי של פלדות עמידות בחום הוא היכולת ליצור אבנית קומפקטית ודביקה היטב.
שכבות ההגנה החשובות ביותר מבוססות על:

• Cr₂O₃,
• Al₂O₃,
• סו₂.

לכן, כרום, אלומיניום וסיליקון הם בין היסודות החשובים ביותר המגבירים את עמידות החום.
ניקל חשוב במיוחד ליציבות האוסטניט, עמידות לקרבוריזציה ותכונות מכניות בטמפרטורה גבוהה, אך לא תמיד מועיל בהפחתת אטמוספרות המכילות גופרית.
פלדות אופייניות לטמפרטורה גבוהה כוללות, בין היתר: פלדות Cr-Si-Al ‏1.4828, ‏1.4835 / 253 MA, ‏1.4841 / AISI 314, ‏1.4845 / ‏310S ופלדות Cr-Si-Al ‏פריטיות ‏1.4713, ‏1.4724, ‏1.4742 ו-‏1.4762.
בבחירת חומר, אסור להתבלבל עמידות בחום עם עמידות לזחילהרכיב עשוי להיות עמיד בפני חמצון ועדיין להיכשל עקב זחילה.
הכלל החשוב ביותר הוא לבחור את החומר לא רק עבור הטמפרטורה, אלא עבור המערכת כולה: טמפרטורה + אטמוספרה + זמן + עומס + מחזורי חום + משקעים.

קורוזיה יכולה להתרחש באמצעות מנגנונים שונים, בהתאם לחומר, לסביבה ולתנאי ההפעלה. למדו על סוגים אחרים של קורוזיה:

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