Transcript 5. Korrózió - Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

MŰSZAKI KÉMIA
ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK
5. Korrózió
Dr. Bajnóczy Gábor
BME
Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék
AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK
KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA,
KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL
HASZNÁLHATÓK !
INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL
FELTENNI TILOS !
KORRÓZIÓ
▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬
▼
▼
▼
Kémiai
Anyagveszteség
magas
hőmérsékleten
tüzelőolaj vanádiumtartalma
okozta korrózió
Elektrokémiai
Fizikai
Anyagveszteség
potenciál különbség
hatására
Repedés, törés a
kristályok közötti
összetartó erő
gyengülése miatt
KÉMIAI KORRÓZIÓ
Általában magas hőmérsékleten játszódik le.
Előfordulás: kazánok tűztere, hőcserélőben a füstgáz oldalon.
Megjelenés: általában egyenletes
1. Védőoxidréteg leoldódása:
olajtüzelésnél az olaj vanádium és nátrium tartalmából viszonylag
alacsony olvadáspontú vegyületek képződhetnek, amelyek leoldják az
egyébként magas hőmérsékleten képződő védő oxid réteget.
NaVO3
V2O3
NaVO3.Na2O.3V2O5
op: 630 °C
op: 690 °C
op. 480 °C
KÉMIAI KORRÓZIÓ
2. Sósav és klór okozta fémkorrózió:
Sósav felszabadulás klórtartalmú tüzelőanyagok
égetésekor; biomassza (KCl tartalom), lakossági
hulladék (PVC tartalom).
4 HCl (gáz) + O2 (gáz) = 2 Cl2 (gáz) + 2 H2O (gőz)
lassú folyamat (Deacon reakció)
• Fe + Cl2 = FeCl2
• 2 FeCl2 + 3/2 O2 = Fe2O3 + 2 Cl2
Elektrokémiai korrózió szükséges és elégséges
feltételei I.
• Legyen két különböző potenciálú hely egymással
fémes összeköttetésben.
ΔE = (E10 – RT1/nF*lnc1) – (E20 – RT2/nF*lnc2)
• Két különböző fém ( E10 és E20 )
• Különböző koncentráció (c1 és c2 )
• Különböző hőmérséklet ( T1 és T2 )
• Azonos fém eltérő kristályszerkezettel
(pl. hajlításnál rácstorzulás)
Elektrokémiai korrózió szükséges és elégséges
feltételei II.
– A két különböző potenciálú helyet kösse össze jól
vezető elektrolit
• Olvadékban mozgásképes ionok
• Vizes oldatban nagy mozgékonységú ionok
Elektrokémiai korrózió szükséges és elégséges
feltételei III.
– Redukciós (elektron felvevő) folyamat lehetősége,
depolarizátor jelenléte
• 2 H+ + 2 e– = H2
• O2 + 2 H2O + 4 e– = 4 OH–
• Cl2 + 2 e- = 2 Cl–
A gépészmérnöki gyakorlatban a hidrogénion, az oldott oxigén és bizonyos helyeken
( pl. víztisztítás ) az elemi klór jelenléte okozza a korróziót
Két fém érintkezésekor miért mindig a
negatívabb potenciálú fém korrodálódik ?
- ΔG = Ecella*n*F
+ 0,4
Mindig a nagyobb mértékű
ΔG csökkenés valósul meg,
ezért korrodál a réz helyett
a vas
0,47 V
1,25 V
Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor
++
Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor
Milleneumi szoborcsoport korróziója
Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor
Központi fűtés
Rézcsővel azonos potenciálú
forrasz anyag
feltöltés ivóvízzel
elektrolit
Alumínium vagy acél radiátor
rézcső
Miért nincs korrózió a rézcső és radiátor
csatlakozásánál ?
≈ zárt rendszerben elfogy az oldott oxigén !
Lúgosít a korrózió
veszély miatt
Vaslemez radiátort
nem célszerű
alumíniumra cserélni
Vas csővezeték
A ház fűtési rendszere le van
választva a távhő vezetékéről,
de feltöltésre és pótlásra a
távhő vizét használják.
Távhő ellátásnál azonban tilos a csővezeték anyagi
minőségétől eltérő anyagi minőségű radiátort alkalmazni.
Miért ?
Az alumínium radiátort korrodálja a lúgos közeg
Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor
Kristályközi korrózió
vas
Vastól eltérő potenciálú, idegen fém pl. réz
Ötvözetek korróziója
Amennyiben nem jön létre az ötvöző anyagokból új vegyület a szilárd fázisban két alkotó
érintkezik egymással mikroméretekben.
Az öntött vas jelentős mennyiségű grafitot tartalmaz. A grafitváz és a vas között
jelentős potenciálkülönbség van (vas a negatívabb ), így a vas megfelelő környezetben
folyamatosan távozik a szerkezeti anyagból. A grafit az egyik legpozitívabb potenciálú
szerkezeti anyag.
Grafit potenciálja tengervízben telített kalomel elektródhoz képest:: + (0,3 - 0,2) V
Vas potenciálja tengervízben telített kalomel elektródhoz képest : - (0,6 – 0,7) V
Ötvözetek korróziója
Sárgaréz elcinktelenedése
A sárgaréz: réz és cink ötvözete. Olcsóbb, mint a réz, képlékenyebb, jobb húzószilárdság
A cink negatívabb potenciálú a réznél. A cink oldatba megy és cink-hidroxid, cink-karbonát
tartalmú laza, puha szerkezetű kiválást okoz, amely eltömődést okozhat pl. szelepeknél.
A meggyengült szerkezeti elem törhet
Környezeti tényezők:
-kloridion, oxigén és széndioxid tartalmú víz,
-lágyvíz, keményvíz,
-lassú áramlású vagy pangó víz,
Potenciálkülönbség rácstorzulásnál
Korrózió a hegesztési varratnál
Hajlításnál torzul a fémrács,
a torzult rész mindig negatívabb
potenciálú a nem torzult részhez képest.
varrat potenciálja
hegesztett fém potenciálja
Koncentráció különbség okozta elektrokémiai
korrózió
Mélyedés a kristályok között
Vízborítás esetén a mélyedés alja oxigénben szegényebb
Vas felszínének mikroszkópos képe
Koncentrációkülönbség okozta korrózió
(alározsdásodás)
Kloridionok okozta korrózió
Az előző folyamat jelentősen felgyorsul klorid ionok jelenlétében (réskorrózió,
crevice)
Biológiai korrózió
Biológiai folyamat által előidézett elektrokémiai korrózió
Szulfátredukáló baktériumok:
oxigénmentes környezetben a katódon képződő hidrogént használják fel
szulfát redukcióra
8 Hadszorbeált + SO42- → S2- + 4H2O
A katódon adszorbeálódott
hidrogént, amely fékezi
a korróziót eltávolítja,
így a korrózió gyorsul
A képződő szulfid megtámadja
fémet és laza fém-szulfidot képez
Fűtőolaj tartály kilyukadt fala.
Gyakori korróziót okoz az olajiparban.
Biológiai korrózió
A kénbaktérium oxigén tartalmú környezetben szulfid-iont kénsavvá tud oxidálni
kénbaktérium
telepek
a falon
betoncső
Csatorna csövek korróziója
Korrózió a földgáz vezetéken
A csőben van víz és hidrogén-szulfid,
amelyet a kénbaktérium kénsavvá oxidál.
A képződő sav miatt lyukad ki a cső.
Biológiai korrózió
Nyálka képzők, algák, kagylók:
Főleg hűtővízkörben szaporodnak el. Ahol megtelepednek oxigén hiányos
réteget hoznak létre a fedett és nem fedett fémfelületek között
Biológiai folyamat által előidézett
elektrokémiai korrózió
Kóboráram okozta korrózió
Korrózióra való hajlam előrejelzése,
polarizációs görbe
katódos áram
redukció ->
FÉM n+ + ne - ▬▬▬▬▬▬▬▬ FÉM
anódos áram
<- oxidáció
A katódos áramot illetve az anódos áramot a felülettel elosztva kapjuk
katódos áramsűrűség: jc
Egyensúly esetén:
jc = ja = j0
anódos áramsűrűség: ja
csereáram sűrűség
Ha a fémen j sűrűségű külső áram folyik:
ja = jc és j = ja - jc
Korrózióra való hajlam előrejelzése,
polarizációs görbe
A fémen áram akkor tud folyni, ha a fémen folyamatos elektron többletet vagy hiányt
hozunk létre, azaz az egyensúly egy adott irányú eltolását valósítjuk meg.
Ez akkor érhető el, ha a fém nyugalmi potenciálját megváltoztatjuk, azaz
polarizáljuk az elektródot pozitív vagy negatív irányba.
Polarizációs potenciál
Ep = Ej - Eo
Nyugalmi potenciál
Adott j áramsűrűség eléréséhez
szükséges potenciál
A polarizációs potenciál másik
elnevezése: túlfeszültség
Polarizációs görbe
▬▬ kis potenciál különbség hatására jelentős áram növekedés, gyors anyag átalakulás
▬▬ nagy potenciál különbség esetén is kis áram növekedés és lassú anyag átalakulás
Számítási gyakorlatok
1. Korróziósebesség számítása
Egy korróziós vizsgálatnál az anódként viselkedő alumíniumon 1,00 mA/cm2 áramsűrűséget
mértünk. Egyenletes oldódást feltételezve mekkora a várható anyagveszteség mm/év
mértékegységben ? Az alumínium sűrűsége 2,70 g/cm2, atomtömege 27,0.
Faraday állandó: 96500 As/mol ≈ 26,8 Aóra/mol
Az alumínium anódosan viselkedik, tehát oxidációs reakció játszódik le.
Al → Al 3+ + 3 e Tételezzük fel, hogy a mért áramsűrűség 1 éven keresztül áll fenn.
Az egy év alatt átáramlott töltés 1,00 mA * 365nap * 24 óra/nap = 8760 mAó ≈ 8,76 Aó
26,8 Aó hatására 27,0 / 3 = 9,00 g alumínium oldódik fel. ( Faraday törvény )
8,76 Aó * 9,00 g
Tehát 8,76 Aó esetén
= 2,94 g Al oldódik ki 1 cm2 felületen 1 év alatt
26,8 Aó
Az anyagveszteséget kiszámíthatjuk, ha a távozott tömeget megszorozzuk az alumínium
sűrűségének reciprokával.
1 cm3
g
2,94
cm2 * év
*
2,70 g
= 1,088 cm/év ≈ 1,09 cm/év = 10,9 mm/év