Jak korozja wpływa na przemysł energetyczny i jakie są strategie jej zapobiegania?

Korozja jest poważnym problemem w przemyśle energetycznym, wpływając na efektywność operacyjną, integralność strukturalną oraz bezpieczeństwo instalacji. Zjawisko to jest szczególnie uciążliwe w elektrowniach, gdzie działa szereg technologii opartych na węglu, gazie, energii jądrowej oraz odnawialnych źródłach energii. Każda z tych technologii wiąże się z innymi wyzwaniami związanymi z korozją, dlatego zrozumienie mechanizmów jej powstawania, skutków oraz metod zapobiegania jest kluczowe dla zapewnienia długowieczności i niezawodności infrastruktury energetycznej.

Rodzaje korozji, które występują w elektrowniach, obejmują korozję równomierną, korozję wżerową, korozję szczelinową oraz pęknięcia spowodowane korozją naprężeniową. Każdy z tych typów korozji ma swoje charakterystyczne warunki sprzyjające jego rozwojowi. Korozja równomierna, na przykład, jest powszechna w przypadkach, gdy cała powierzchnia metalu poddana jest działaniu agresywnych substancji chemicznych. Z kolei korozja wżerowa pojawia się w miejscach, gdzie obecne są mikroskalowe uszkodzenia powierzchni, co sprzyja koncentracji czynników korozyjnych w tych miejscach. Korozja szczelinowa oraz pęknięcia korozji naprężeniowej występują najczęściej w miejscach, gdzie metale są narażone na intensywne naprężenia mechaniczne lub w wyniku oddziaływania warunków środowiskowych, takich jak wilgotność i obecność soli.

W zależności od rodzaju materiałów stosowanych w elektrowniach – takich jak stopy metali, materiały kompozytowe czy tworzywa sztuczne – oraz warunków eksploatacyjnych, różne rodzaje korozji mogą dominować. Na przykład, stal węglowa, powszechnie stosowana w konstrukcjach przemysłowych, jest szczególnie podatna na korozję pod wpływem wilgoci i wysokich temperatur. Z kolei materiały takie jak stopy niklu, miedzi, a także materiały kompozytowe mogą wykazywać większą odporność na korozję, ale ich koszt oraz trudność w obróbce często ograniczają ich zastosowanie w szerszej skali.

Aby zminimalizować skutki korozji, stosuje się różnorodne strategie prewencyjne. Wybór odpowiednich materiałów jest kluczowy, a ich odporność na korozję powinna być dostosowana do warunków pracy. Na przykład, w elektrowniach jądrowych, gdzie ryzyko skażenia jest wyższe, stosuje się materiały o wyjątkowej odporności na korozję, takie jak stopy oparte na tytanie czy specjalistyczne stopy niklu. W przypadku elektrowni węglowych ważnym aspektem jest stosowanie materiałów o zwiększonej odporności na korozję wysokotemperaturową, które zmniejszają koszty utrzymania.

Obok właściwego doboru materiałów, istotną rolę odgrywają powłoki ochronne, które chronią elementy instalacji przed bezpośrednim kontaktem z czynnikami korozyjnymi. Takie powłoki mogą być naniesione na powierzchnie metalowe lub kompozytowe, zapewniając im dodatkową barierę ochronną przed agresywnymi substancjami. Ochrona katodowa, która polega na stosowaniu elektrochemicznych metod ochrony powierzchni, również znajduje zastosowanie w wielu instalacjach przemysłowych, zwłaszcza tam, gdzie ryzyko korozji jest szczególnie wysokie.

Innym podejściem jest stosowanie inhibitorów korozji, które mogą zmniejszyć szybkość tego procesu, zwłaszcza w układach wodnych, takich jak wymienniki ciepła czy obiegi chłodzące. Inhibitory korozji mogą być organiczne lub nieorganiczne, a ich wybór zależy od specyfiki instalacji oraz środowiska, w którym działają. Jednak należy pamiętać, że skuteczność inhibitorów może ulegać zmianom w zależności od zmieniających się warunków operacyjnych.

Należy również podkreślić wagę monitorowania stanu technicznego instalacji. Wczesne wykrycie objawów korozji, takich jak zmiany w strukturze materiału czy spadek wydajności, pozwala na podjęcie działań naprawczych, zanim dojdzie do poważnych awarii. Regularne inspekcje, w tym wykorzystanie zaawansowanych technologii monitoringu, takich jak czujniki i systemy detekcji wczesnych oznak korozji, mogą znacząco wpłynąć na bezpieczeństwo oraz niezawodność instalacji.

Jak reakcje chemiczne wpływają na korozję w przemyśle energetycznym?

W procesach korozji w przemyśle energetycznym, zwłaszcza w kotłach i wymiennikach ciepła, występuje wiele reakcji chemicznych, które przyspieszają niszczenie materiałów metalowych. Tego rodzaju korozja może występować w wyniku działania gazów szkodliwych, takich jak dwutlenek siarki (SO₂), chlor (Cl₂) oraz wilgoć (H₂O), które reagują z metalami i ich tlenkami, prowadząc do tworzenia niebezpiecznych związków, jak siarczki, siarczany, chlorki czy inne agresywne sole. Poniżej przedstawiono najważniejsze reakcje chemiczne, które zachodzą w kontekście korozji w elektrowniach, gdzie dodatek biomasy może istotnie zmieniać właściwości gazów wylotowych i zwiększać intensywność korozji.

W przypadku obecności siarki, reakcje chemiczne są stosunkowo szybkie i łatwe do zaobserwowania, zwłaszcza w obszarach takich jak granice ziaren czy fronty korozji. Siarczki, siarczany i inne produkty reakcji mogą przemieszczać się w obrębie warstw tlenków, wypełniając mikropęknięcia lub szczeliny w wyniku swojej dużej mobilności. Takie reakcje mogą prowadzić do utworzenia niebezpiecznych siarczków, jak w przypadku reakcji z metalami:

• M + SO₂ → M S (5.1)

• M + SO₃ → M SO₃ (5.2)

• 2M + O₂ → M₂O₃ (5.3)

Chociaż niektóre reakcje prowadzą do zmniejszenia emisji gazów, na przykład siarki, tworzące się produkty reakcji, takie jak chlorki czy siarczany, pozostają nadal agresywne i mogą prowadzić do uszkodzenia materiałów ochronnych, szczególnie w wymiennikach ciepła. Sól topniejąca, zwłaszcza w połączeniu z siarką i wodą, może sprzyjać powstawaniu reakcji, które w dalszym ciągu prowadzą do tworzenia siarczanów, w tym tri-siarczanów, które są jednym z głównych czynników prowadzących do korozji materiałów w środowisku związanym z siarką.

Podobnie, reakcje między chlorkiem sodu (NaCl) i gazami siarki mogą prowadzić do produkcji chlorku siarczanu (SO₄), który obniża emisję, ale jednocześnie wytwarza związki, które nie tylko przyspieszają korozję, ale także mogą uszkodzić warstwy ochronne w wymiennikach ciepła. W tym przypadku szczególnie niebezpieczne są reakcje prowadzące do powstania chlorków metali, które przenikają do wnętrza materiałów konstrukcyjnych, takich jak stal czy stopy chromu i niklu, co może prowadzić do poważnych uszkodzeń:

• Fe + Cl₂ → FeCl₂ (5.15)

• FeCl₂ + O₂ → Fe₃O₄ + Cl₂ (5.16)

Innym czynnikiem, który odgrywa znaczną rolę w korozji, jest obecność wody. Woda w gazach wylotowych z pieców może rozkładać tlenki metali, przekształcając je w niestabilne związki, takie jak hydraty, co pozwala na dalszą korozję. Reakcje te obejmują:

• Cr₂O₃ + H₂O → CrO₂OH (5.19)

• Fe₂O₄ + H₂O → Fe(OH)₃ (5.20)

Tego typu reakcje prowadzą do dalszego niszczenia powierzchni metalowych, w tym do korozji stali w piecach oraz innych komponentów wykorzystywanych w przemyśle energetycznym.

Obecność tlenu (O₂) w gazach wylotowych również ma kluczowe znaczenie w procesie korozji. W tradycyjnych piecach opalanych węglem stężenie tlenu wynosi od 4% do 11%, a w systemach współspalania wartości te mieszczą się w tym samym przedziale. Tlen ma szczególny wpływ na procesy utleniania metalów, prowadząc do tworzenia warstwy tlenkowej, która może chronić metal przed dalszym niszczeniem. Jednakże, w wyniku działania gazów agresywnych, takich jak chlor czy siarka, warstwa ta może zostać uszkodzona, co przyczynia się do dalszego rozwoju korozji.

Chociaż w procesach spalania biomasy i węgla wytwarzanie dwutlenku węgla (CO₂) jest nieuniknione, to jednak w systemach współspalania zawartość CO₂ jest niższa w przypadku biomasy. Mimo tego, emisja dwutlenku węgla nie ma takiego samego wpływu na korozję jak inne gazy, takie jak chlor czy siarka, jednak procesy spalania i reakcje z metalami mogą prowadzić do powstawania węgla w postaci osadów, które także mogą sprzyjać korozji.

Wszystkie te reakcje chemiczne prowadzą do zaawansowanego procesu korozji, który jest nieunikniony w przemyśle energetycznym, zwłaszcza w systemach spalania biomasy. Aby skutecznie zarządzać tym problemem, konieczne jest stosowanie odpowiednich materiałów odpornych na działanie szkodliwych gazów oraz monitorowanie procesów korozji w czasie rzeczywistym. Przemiany gazów wylotowych i ich wpływ na materiały konstrukcyjne muszą być również uwzględniane przy projektowaniu nowych instalacji, aby zminimalizować straty związane z uszkodzeniami urządzeń.