4.3. Повреждения технологического оборудования в результате химических воздействий

Обращающиеся в технологическом процессе вещества и окружающая среда вступают в химическое взаимодействие с материалом, из которого изготовлено технологическое оборудование, вызывая его разрушение. Разрушение материала в результате взаимодействия с соприкасающейся с ним средой называется коррозией.

Разрушающему действию коррозии наиболее подвержены слабые места производственного оборудования: швы, разъемные соединения, прокладки, места изгибов и поворотов труб.

Коррозионную стойкость металлов оценивают в соответствии с ГОСТ 13819-68 «Коррозионная стойкость металлов» по десятибалльной системе (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Группа стойкости	Скорость коррозии, мм/год	Балл
Совершенно стойкие Весьма стойкие Стойкие Пониженно-стойкие Малостойкие Нестойкие	Менее 0,001 0,001…0,005 0,005…0,01 0,01…0,05 0,05…0,1 0,1…0,5 0,5…1,0 1,0…5,0 5,0…10,0 10,0	1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Под скоростью коррозии понимают проникновение коррозии в глубину металла и рассчитывают ее (согласно данным о потере массы после удаления продуктов коррозии) по формуле , где – потери массы; – плотность металла.

При расчете оборудования на прочность предусматривают увеличение расчетной толщины стенки аппарата для компенсации потерь от коррозии, то есть принимают S = + S_нор , где – расчетная толщина стенки аппарата (из условий прочности металла) без учета коррозии; S_нор – прибавка на коррозию. S_нор = П , где – продолжительность эксплуатации оборудования.

Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия наблюдается в среде жидких диэлектриков или газов, нагретых до высоких температур. Это окислительно-восстанови-тельный химический процесс, к которому относят кислородную, сероводо-родную, серную и водородную, а также некоторые другие виды коррозии в аппаратах с температурными режимами от 200 ^оС и выше.

Кислородная коррозия. При взаимодействии стали с кислородом воздуха (при повышенной температуре) образуется окалина – окислы металла:

4Fe + 3O₂  2Fe₂O₃.

Окалина не обладает механической прочностью и легко отслаивается от металла. Скорость окисления увеличивается с повышением температуры и концентрации кислорода.

Серная и сероводородная коррозия наблюдается при переработке сернистого сырья в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и газовой отраслях промышленности, а также при производстве серы с образованием сернистого железа. В аппаратах, работающих при 310 ^оС и выше (печи, колонны, реакторы), происходит диссоциация сероводорода с образованием элементарной серы, которая и взаимодействует с металлом:

H₂S  H₂ + S (термическая диссоциация);

2H₂S + О₂  2H₂О + 2S (окисление);

Fe + S  FeS (коррозия).

Сернистое соединение железа – пористое вещество, не обладающее механической прочностью и, кроме того, легко окисляющееся на воздухе с выделением значительного количества тепла, способного нагреть сульфиды до их самовозгорания.

Водородная коррозия, характерная для процесса производства аммиака, процессов гидрогенизации, гидроочистки и риформинга нефтепродук-тов, особенно сильно проявляется при высоких давлениях и температурах. Водородная коррозия относится к межкристаллитному типу. Установлен следующий механизм разрушения металла водородом. Диффузия водорода происходит в металл по границам структурных зерен. При этом наблюдается частичное растворение водорода и химическое взаимодействие его с цементитом стали по следующей реакции:

Fe₃C + 2H₂  CH₄ + 3Fe.

Этот процесс сопровождается разрушением структуры зерна и образованием мелких трещин. Образование трещин объясняется обезугле-роживанием и тем, что удельный объем железа меньше удельного объема цементита. В образовавшиеся трещины проникает водород, вызывающий продолжение и ускорение процесса коррозии. Металл становится хрупким, его сопротивляемость удару и изгибу уменьшается.

Электрохимическая коррозия представляет собой процесс растворения металлов в электролитах в результате действия образующихся гальванических пар. Сущность процесса совпадает с работой гальванического элемента. Если металл не является однородным, отдельные его участки обладают различной способностью к растворению. Чем левее расположен металл в ряду напряженности, тем легче он растворяется в электролите. Отдельные участки поверхности аппарата, соприкасаясь с электролитом, будут служить анодом, другие – катодом. Схема коррозионного процесса, происходящего по указанному механизму, представлена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схема электрохимической коррозии:

1 –катодный участок; 2 –анодный участок; 3 –поток электронов в металле;

4 –поток ионов в электролите (раствор соляной кислоты)

Если неоднородный металл (например, железо плюс включения) поместить в электролит (например, в раствор соляной кислоты), то ионы более активного металла будут переходить в раствор. Участок оборудования, поверхность которого служит анодом, будет разрушаться. Отрицательные ионы электролита (в данном случае ионы хлора) перемещаются в направлении выделяющихся положительно заряженных ионов металла и, соединяясь с ними, образуют хлористую соль металла. В то же время положительно заряженные ионы электролита (водорода) перемещаются к отрицательно заряженным участкам стенки и, нейтрализуясь, образуют молекулу водорода.

Возникновение коррозии вызывается не только неоднородностью металла, но и многими другими причинами, например, неодинаковыми деформациями и напряжениями в различных участках, неоднородностью концентрации электролита, различными температурами на отдельных участках и т.п.