264 (40)

10.4. Erozja korozyjna

W pierwszych turbinach siłowni jądrowych, instalowanych przed około 30 laty. wyłoniła się nieoczekiwana trudność, nie obserwowana w energetyce konwencjonalnej, mianowicie erozja korozyjna [14, 50].

Zjawisko wypłukiwania powierzchni metalu parą mokrą było co prawda od dawna znane [19], występowało jednak sporadycznie i zwalczano je indywidualnie bez głębszego wchodzenia w jego przyczyny. Obecnie z problemami tymi utrudniającymi pracę turbin i generatorów pary boryka się energetyka jądrowa wielu krajów [np. M artynowa G. J., Nowyje tiechniczes-kije reszenija po borbie s korozjej na zarubieżnych AES, Tiepłoenergetika 1985, 6, s 71-72].

Związki fizykochemiczne prowadzące do erozji korozyjnej mają bogatą literaturę [14], [Giilich J. F., Abtragsraten bei der Erosionskorrosion unlegier-ter Siakie in Kesselspeisewasser, Technische Rundschau Sulzer, 1986, 4, s. 19-21] -

Wiadomo, że żelazo rozpuszcza się w czystej wodzie przechodząc do niej w formie jonów Fe, tworząc roztwór tlenków żelaza. Proces ten ustaje, jeżeli wytworzy się wystarczająca warstwa ochronna magnetytu Fe₃0₄ na powierzchni żelaza lub wystarczająca koncentracja jonów Fe w pobliżu ścianki.

Do ubytków z powodu erozji korozyjnej dochodzi w sytuacji, gdy do ścianki doprowadzana jest stale woda o niskiej koncentracji jonów Fe, co utrudnia wytworzenie się warstwy ochronnej na powierzchni ścianki i tym samym proces rozpuszczania żelaza nie ustaje (a więc zachodzi zjawisko wypłukiwania produktów korozji określane jako erozja korozyjna).

Ta wymiana masy jest w przypadku przepływu turbulentnego równoległego do ścianki proporcjonalna do prędkości przepływu. Na proces ten istotny wpływ ma temperatura. Erozja korozyjna zanika powyżej około 250°C, gdy spontanicznie tworzy się warstwa ochronna magnetytu. Nie obserwuje się na ogół erozji korozyjnej w obszarze niskich temperatur poniżej 50°C. Decydujące znaczenie ma też rodzaj materiału.

Z punktu widzenia praktycznego ważna jest ocena (prognoza) głębokości ubytku materiału s(t) w milimetrach w czasie 1 roku (lub 10* godzin). Wielkość tę można przedstawić za Kellerem [14] wzorem półempirycznym:

s(t)=f(T)-f(x)kc

ram !6*h '

(X.49)

Wzór ten podaje miejscowe maksimum. Erozja korozyjna nie atakuje powierzchni równomiernie, lecz występuje miejscowo, uwarunkowana przy-padkowymi różnicami.

Pierwszy wyraz wzoru (X.49),/(T), podaje wpływ temperatury T dla wody (x = 0) oraz pary mokrej (x > 0) w zależności od rodzaju materiału. Empiryczne zależności przedstawiono za [14] na rysunku X.25.

Rys. X.25. Wpływ temperatury na erozję korozyjną stali węglowej i stopowej przy przepływie pary

mokrej według [14]

Zastosowanie nierdzewnej stali chromowej 13% Cr prowadzi z reguły do całkowitego ustania erozji korozyjnej. Stal niskostopowa 2,5% Cr obniża dość znacznie, ok. 4-krotnie, intensywność erozji korozyjnej w porównaniu ze stalą węglową niestopową. Maksimum ubytku erozyjnego w strumieniu wody • (x = 0) leży przy ok. 140°C. W przypadku przepływu pary mokrej temperatura ta jest wyższa, wynosi około 180°C, co odpowiada ciśnieniu nasycenia 10 bar. Intensywność procesu silnie maleje w obszarze poniżej 0,5 bar i powyżej 20 bar.

Systematyczne pomiary wykazały, że ilościowa prognoza ubytku erozyj-no-korozyjnego przy przepływie czystej wody jest bardzo niepewna, gdyż przy ruchu neutralnym niewielkie zawartości tlenu rzędu 1 pg na 1 kg, a przy ruchu alkalicznym różnice wartości pH wynoszące zaledwie 0,1, wpływają na ubytki ponad 10-krotnie.

W tym sensie wykres f(T) dla x = 0 (woda) należy rozumieć jako wykres jakościowy. Ilościowo pokazuje on co najwyżej zgrubne wartości średnie.

Wpływ zawilgocenia pary określa formuła empiryczna

/(x)=yT^r    -    (X.5Q)

dająca najlepszą zgodność z doświadczeniem.

Jak w każdym procesie wymiany masy proporcjonalność ubytku erozyj-no-korozyjnego do prędkości c jest narzucającą się zależnością. Przeciętne wartości pomiarów potwierdzają takie podejście. Oczywiście można porównywać tylko przepływy podobne geometrycznie i hydraulicznie.

Przepływy silnie różniące się od siebie, np. przepływy w prostoosiowych rurociągach, zakrzywieniach lub rozgałęzieniach, różnią się znacznie, co można uwzględnić wprowadzając odpowiedni współczynnik doświadczalny k (rys. X.26). Na przykład przy takich samych pozostałych warunkach ubytek erozyjno-korozyjny przy opływie walca (1) jest około 25 razy większy niż przy przepływie przez kanał pfostoosiowy (7).

Doświadczenie wskazuje, że z powodu wystarczającej pasywności erózja korozyjna nie występuje, jeżeli wartość obliczeniowa ubytku s(t) według wzoru