Hoge-Temperatuur Corrosieproducten Identificeren voor Preventie

Om hoge temperatuur corrosie te voorkomen, is het identificeren van de corrosieproducten essentieel. Net als bij de analyse van aqueous corrosieproducten, is een combinatie van methoden zoals SEM-EDS en XRD vereist om de soorten te identificeren die aanwezig zijn in de schaal gevormd bij hoge temperaturen. Het grootste verschil is dat de schaal over het algemeen dikker is en vaak meervoudig gelaagd, wat betekent dat doorsnedeanalyse ook noodzakelijk is.

In dit artikel onderzoeken we corrosieproducten geproduceerd door hoge temperatuur blootstelling en leggen uit hoe deze informatie kan worden gebruikt in corrosiepreventie.

Testen op Corrosieproducten

Omdat hoge-temperatuur corrosie neigt tot het produceren van schaal die meervoudig gelaagd is, kunnen lijntracé's en plekkarta's gebruikt worden om de meervoudige lagen te illustreren, maar deze technieken zijn kwalitatief. Ze vertrouwen op het tonen van totale tellingen; dichtheid van de locatie kan de resultaten beïnvloeden. Dus is het ook nuttig om deze analyses aan te vullen met kwantitatieve of semi-kwantitatieve datareducties.

Thermodynamische modellering voor gasvormige systemen wordt algemeen gebruikt en is een belangrijk hulpmiddel voor de voorspelling van chemische reacties zoals corrosie, oxidatie, sulfidering en resulterende corrosieproducten. Dergelijke berekeningen zijn nuttiger dan een Ellingham-diagram omdat meerdere soorten kunnen worden meegenomen. De resultaten kunnen helpen bij het identificeren en bevestigen van experimentele resultaten. Condities kunnen gemakkelijk gewijzigd worden, zoals de insluiting van diverse gassen met identificatie van de stabiele soorten.

Bijvoorbeeld, de temperatuurafhankelijkheid van corrosieproducten of beschermende schaal kan beoordeeld worden voor een specifieke set condities. Aan de andere kant is het ook mogelijk dat door de concentraties van O₂ en Cl₂ te variëren voor een gegeven metaal zoals Fe, de condities voor diverse oxide- en chloridesoorten kunnen worden voorspeld voor een gegeven temperatuur. Deze modellering is echter gebaseerd op evenwichtscondities en reactiekinetiek kan hun nut beperken. Het voordeel van zo'n hulpmiddel is om de berekeningen te vergelijken met de waargenomen corrosieproducten en de procescondities te verifiëren.

Veel hoge-temperatuurschalen zijn gelaagd en deze kunnen worden genoteerd door de corrodentconcentratie te veranderen bij een specifieke temperatuur, omdat de concentratie van de corrodent in de schaal daalt door diffusie. Hoge temperatuuroxidatie van koolstof- of laag-gelegerd staal heeft een schaallaag van FeO/Fe₃O₄/Fe₂O₃. Let op dat de oxidatietoestand van Fe het laagst is naast de metallische fase, Fe(II) in FeO, en toeneemt in de richting van de schaal/omgevingsinterface, een mengsel van Fe(II) en Fe(III) in Fe₃O₄, en Fe(III) in Fe₂O₃. De thermodynamische berekening zal de uiterste thermodynamisch stabiele corrosieproduct in contact met evenwichtsprocesstroom voorspellen.

De schaalproducten die hieronder worden genoteerd, zijn typisch wat wordt waargenomen, maar de exacte schaallagen zijn een functie van de kinetiek, temperatuur en aanwezige soorten. Om die reden zijn thermodynamische berekeningen voor legeringen extremelijk nuttig om de samenstelling van de schalen te begrijpen. Echter, schalen bij temperatuur kunnen transformeren naar een andere structuur bij afkoeling naar kamertemperatuur.

Schaalproducten met Laag-gelegerd Staal

Onder 400 °C (752 °F) is de schaal op Fe magnetiet (Fe₃O₄); terwijl bij 550 °C (1022 °F) in lucht een gelaagde structuur wordt gevonden waar Fe naar buiten diffundeert en O naar binnen. Dus de buitenste schaal neigt hematiet (α-Fe₂O₃) te zijn en de binnenste schaal magnetiet. Onder dezelfde condities voor een 2¹/₄% Cr 1% Mo staal, is de uiterste schaal hematiet, terwijl de binnenste schaal FeCr₂O₄ spinaal, magnetiet en hematiet is. Hogere temperatuuroxidatie van Fe resulteert in een drie-gelaagde schaal van hematiet, magnetiet en wustiet (Fe_1-xO). Verhoogd Cr in de legering kan resulteren in een gemengde spinaal (Fe,Cr)₂O₄. Samenstelling van de schaal varieert met temperatuur en O₂ gedeeltelijke druk. Aanwezigheid van H₂O produceert een binnenste (Fe,Cr)₃O₄, een middelste schaal van magnetiet en een uiterste schaal van hematiet. Een legering vereist een minimum van 14% Cr voor een volledige beschermende chromia (Cr₂O₃) laag die de uwaartse diffusie van Fe en de inwaartse diffusie van andere soorten zoals O zal voorkomen. Dus is laag-gelegerd staal beperkt tot blootstellingstemperaturen van minder dan ongeveer 300 °C (572 °F).

De aanwezigheid van SO₂ kan kwispelgroei produceren en een langzamer groeiende magnetietlaag. FeS zal als discrete korrels in de binnenste magnetietlaag vormen, terwijl ijzer sulfaat zich op het oxide-oppervlak zal vormen, afhankelijk van de gedeeltelijke druk van SO₂.

Schaalproducten met Austenitisch Roestvrij Staal

De hogere Cr-gehalte van de austenitische roestvrije stalen biedt voldoende oxidatiebescherming om schaalvorming te minimaliseren tot ongeveer 850 °C (1562 °F). Schalen kunnen bestaan uit een binnenste schaal van chromia, (Cr_xFe_1-x)₂O₃ of Cr-rijke (Cr, Fe, Mn)₃O₄ met een uiterste laag van hematiet. Boven 900 °C (1652 °F) kunnen de chromia-rijke schalen verder reageren met O₂ om CrO₃ te vormen, wat vluchtig is. De aanwezigheid van waterdamp, als voldoende, reageert met het Cr in het oxide om waarschijnlijk een vluchtige CrO₂(OH)₂ te vormen, wat resulteert in een Fe-rijke niet-beschermende schaal en het potentieel van doorbraakoxidatie.

De toevoeging van HCl aan O₂ en H₂O bij 600 °C (1112 °F) produceert een dikke en niet-beschermende schaal van (Fe,Cr)₃O₄, magnetiet en hematiet. Metaalchloride deeltjes kunnen ingesloten zijn aan de schaal-metaal interface. Typische corrosieproducten van biomassa- of rookgascondities met variërende hoeveelheden O₂, CO₂, SO₂ en HCl resulteren in een binnenlaag van Ni₃S₂, een middenlaag van spinaal en hematiet, en een uiterste SO₄⁼, Fe_xO_y en metaalchloride deeltjes. De aanwezigheid van H₂O produceert een dunne (Fe, Cr, Ni)₃O₄ binnenlaag.

Schaalproducten van sulfidering zijn een functie van temperatuur en de gedeeltelijke druk van de reducerende S-soorten. Onder voldoende reducerende condities kan de beschermende chromia-laag gesulfureerd worden tot Cr₂S₃ of Cr₅S₆; echter, bij hogere zwavel gedeeltelijke drukken zal een meervoudig gelaagde sulfideschaal groeien. De binnenste schaal zal Cr-rijk S-schaal zijn met een midden schaal van de spinaal daubrélite (FeCr₂S₄) met variabele Fe-Cr inhoud en een uiterste pyrrhotiet (Fe_1-xS) schaal. Bij hogere temperaturen en/of S gedeeltelijke druk kan de uiterste schaal (Fe,Ni)_1-xS en pentlandiet (Fe,Ni)_9-xS₈ zijn.

Voor de oxidatie van FeCrAl legeringen is er de initiële vorming van Cr₂O₃ en hematiet en dan de nucleatie van korundum (α-Al₂O₃). De aanwezigheid van water produceert een uiterste laagstructuur van korundum met chromia-rijke deeltjes tussen de lagen. FeCrAl legeringen bezitten verbeterde hoge-temperatuur stoomoxidatie en worden beschouwd als ongevallentolerante kernbrandstofbekledingsmateriaal.

Schaalproducten met Hoge-Temperatuur Nikkel-Gebaseerde Legeringen

Ni legeringen hebben een verscheidenheid aan verschillende samenstellingen en als zodanig kan de corrosieschaal variëren met de legering. Met hogere Cr-gehalte hebben Ni-gebaseerde legeringen hogere oxidatiewerstand. In de vroege stadia van oxidatie vormt een continue NiO laag, terwijl Cr₂O₃ eilanden in de korrelgrenzen vormen. Als Fe aanwezig is in de legering, kan de laag NiFe₂O₄ bevatten. Naarmate de uiterste NiO laag in het metaal groeit, ontmoet het eilanden van Cr₂O₃, die dan NiCr₂O₄ of (NiFe_2-xCr_x)O₄ spinaal eilanden vormen. Aangezien Ni-bevattende oxiden minder beschermend zijn dan Cr₂O₃, zal de uiterste schaal NiO zijn met een binnenste spinaalschaal en een Cr₂O₃ laag. Afhankelijk van de Fe-gehalte van de legering, kan hematiet ook in de uiterste schaal waargenomen worden. Voor legeringen hoog in Al en bij temperaturen boven ongeveer 1000 °C (1832 °F) neigt een binnenste schaal van korundum te ontwikkelen, die gecombineerd met de NiO en Cr₂O₃ de spinaal kan vormen.

Chlorinatie van Ni in Cl₂ of HCl produceert een NiCl₂ schaal. Afhankelijk van de gedeeltelijke druk van O₂, kan NiO schaal ook aanwezig zijn.

Voor een studie met een gas van HCl, CO₂, CO, H₂ en H₂S dat reducerend is en afhankelijk van de temperatuur, werden de corrosieproducten voor Legering HT geïdentificeerd als FeCl₂ (verdampft bij hogere temperaturen), Cr₂S₃, Cr₂O₃ en NiS. Onder deze zelfde condities had Legering 600 Cr₂O₃ en Cr₂S₃ als schaalproducten.

Legering 601 bij 900 °C (1652 °F) onder sulfideringscondities had een uiterste schaal van Ni₃S₂, (Fe,Ni)₉S₈, en FeCr₂S₄, een laag korundum met gemengde sulfiden en een innerste laag van FeCr₂S₄ en Ni₃S₂.

Met H₂S/H₂ boven 645 °C kan de (Fe,Cr,Ni)₃S₂ een vloeibaar product vormen. Combinatie met O₂ met reducerende SO₂ kan resulteren in doorbraakcorrosie van Cr₂O₃ en Ni₂S₃. Dergelijke condities kunnen de toepasbaarheid van deze legeringen beperken.

Conclusie

Hoge-temperatuur corrosie omvat een aantal sleutelproducten. Door deze te identificeren, is het mogelijk toekomstige corrosie te voorkomen.