a) Ăn mòn ở nồi hơi thấp áp
Cơ chế ăn mòn ở nồi hơi thấp áp và nồi hơi cao áp cũng khác nhau. Ở nồi hơi thấp áp, mức độ ăn mòn phụ thuộc vào nồng độ các tác nhân gây phản ứng ăn mòn như: độ pH, lượng khí O2, CO2 hoà tan các chất hoà tan khác và điều kiện gây ăn mòn như: nhiệt độ bề mặt, tốc độ dòng chảy... Tuy nhiên các tác nhân chính gây ăn mòn ở nồi hơi thấp áp là các khí hoà tan và độ pH. Ăn mòn ở nồi hơi thấp áp có thể chia ra
ba vùng: ăn mòn trên đường nước cấp; ăn mòn trong nồi hơi; và ăn mòn trên đường nước ngưng.
Ăn mòn trên đường nước cấp: Thường là ăn mòn điện hoá. Nếu nước cấp nồi là trung tính hoặc có tính kiềm nhưng chứa các khí hoà tan như ôxy thì kim loại sẽ bị ăn mòn theo các phản ứng sau:
Fe Fe2+ + 2e (1)
H2O + 1/2O2 + 2e 2OH- (2)
Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2 (3)
Hydroxit sắt hai (Fe(OH)2 hay ferrous) tạo ra sẽ tác dụng tiếp với ôxy hoà tan để tạo thành hydroxit sắt ba (Fe(OH)3 hay ferric) còn được gọi là rỉ vàng.
Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4 Fe(OH)3 (4)
Ăn mòn bên trong nồi hơi: Ở các nồi hơi thấp áp thường gây ra bởi lượng ôxy hoà tan, các chất gây ăn mòn khác hoặc do nồng độ kiềm cao. Cơ chế ăn mòn do lượng ôxy hoà tan như sau (Hình 6.1):
Bình thường bề mặt kim loại được bao phủ bởi một lớp ôxit sắt rất mỏng, chúng đóng vai trò như là lớp màng bảo vệ. Nếu do lý do nào đó lớp màng này bị phá vỡ (do chất lượng nước kém, ứng suất nhiệt), bề mặt thép sẽ tiếp xúc trực tiếp với nước. Khi đó các phân tử sắt sẽ bị ôxy hoá thành ion sắt Fe2+. Nếu trong nước có ôxy, sắt sẽ bị ăn mòn như các phản ứng (3), (4). Hydroxit sắt tạo thành sẽ bám lên bề mặt bị ăn mòn. Khi đó nồng độ ôxy tại bề mặt bị ăn mòn sẽ nhỏ hơn nồng độ ôxy ở các vùng lân cận và hình thành 'pin nồng độ ôxy' cục bộ. Khi đó vùng có nồng độ ôxy cao (cathode) có trữ lượng điện cao hơn và xuất hiện dòng điện từ vùng có nồng độ ôxy cao đến vùng có nồng độ ôxy thấp (anode), các điện tử tự do thì bị hút đến vùng có nồng độ ôxy cao (cathode). Kết quả là các phân tử sắt ở vùng có nồng độ ôxy thấp sẽ tiếp tục bị ăn mòn sâu vào phần vách trao nhiệt. Còn ở vùng có nồng độ ôxy cao sẽ có phản ứng sau:
2H+ + 2e = H2 (5)
H2 + 1/2O2 = H2O (6)
Nếu trong nước nồi hơi tồn tại các ion âm gây ăn mòn như Cl-, SO42-, quá trình ăn mòn sẽ tăng lên nếu có sự xuất hiện của lượng ôxy hòa tan.
Hình 6.6. Cơ chế ăn mòn bên trong nồi hơi do lượng ôxy hòa tan.
Ăn mòn ở nồi hơi thấp áp cũng có thể do sự xuất hiện của các chất gây ăn mòn trong nước cấp. Các chất gây ăn mòn như ôxit sắt, ôxit đồng sinh ra trên đường nước cấp, chúng được đưa vào nồi hơi và lắng đọng ở các vùng kém tuần hoàn, dưới đáy nồi hơi, bám thành cáu cặn trên các bề mặt trao nhiệt có tải nhiệt cao. Điều này gây ra ăn mòn do sự hình thành 'pin nồng độ ôxy' khi xuất hiện lượng khí ôxy hòa tan như đã nêu trên.
Khi các bề mặt bốc hơi chịu tải nhiệt cao, chúng có thể bị quá nhiệt cục bộ. Khi đó bề mặt kim loại có thể bị ăn mòn kiềm nếu nồng độ kiềm cao. Tuy nhiên, hiện tượng ăn mòn kiềm hiếm khi xảy ra đối với các nồi hơi thấp áp.
Để hạn chế ăn mòn các bề mặt trao đổi nhiệt ở nồi hơi thấp áp, cần áp dụng các biện pháp sau:
Áp dụng các biện pháp hạn chế lượng ôxy hòa tan trong nước cấp. Fe Anode Fe 2e 2e màng bảo vệ Cathode Fe2+ Cathode Fe2+ màng bảo vệ Nước Nước Cathode Cathode Fe Fe 2e Anode 2e
Điều chỉnh độ pH và hạm lượng kiềm trong nước nồi hơi hợp lý.
Tránh sự xâm nhập của các chất gây ăn mòn vào trong nước nồi hơi bằng cách khai thác hợp lý các thiết bị phụ trên đường nước ngưng và nước cấp.
Ăn mòn trên đường nước ngưng: Thường xảy ra do sự xuất hiện của ôxit cácbon. Khi trong nước cấp nồi hơi có các muối carbonate và bicarbonate, chúng sẽ bị phân rã dưới tác dụng của nhiệt độ cao sinh ra khí ôxit cacbon.
2NaHCO3 Na2CO3 + H2O+ CO2 (7)
Na2CO3 + H2O 2NaOH + CO2 (8)
Khí ôxit cacbon này đi cùng với hơi nước và cuối cùng hoà tan vào nước ngưng tạo thành carbonic axít (H2CO3).
CO2 + H2O H2CO3 (9)
H2CO3 = H++ HCO3- (10)
HCO3- = H+ + CO32- (11)
Axít này gây ăn mòn kim loại như sau:
Fe + 2H2CO3 Fe(HCO3)2 + H2 (12)
Nếu trong nước ngưng có ôxy, quá trình ăn mòn sẽ tiếp tục như sau:
Fe(HCO3)2 + 1/2O2 Fe2O3 + 4CO2 + 2H2O (13)
b) Ăn mòn ở nồi hơi cao áp
Ăn mòn trên đường nước cấp: Ở nồi hơi cao áp thường sử dụng nước chưng cất làm nước cấp và có áp dụng bộ khử khí để loại bỏ các khí hòa tan, nên ăn mòn trên đường nước cấp là rất ít. Tuy nhiên, phần hệ thống sau bộ khử khí có nhiệt độ cao hơn có thể bị ăn mòn nếu khai thác bộ khử khí không hợp lý hoặc xử lý nước không tốt. Để giảm ăn
mòn trên đường nước cấp cần phải làm tốt việc xử lý nước cấp nhằm điều chỉnh độ pH, lượng ôxy hoà tan và các tạp chất rắn gây ăn mòn.
Ăn mòn bên trong nồi hơi ở nồi hơi cao áp có thể do lượng ôxy hoà
tan, các tạp chất rắn hoặc do hàm lượng kiềm cao.
Vì nồi hơi cao áp sử dụng nước chưng cất có qua bộ khử khí nên thường ít xảy ra ăn mòn do lượng ôxy hoà tan. Tuy nhiên ăn mòn thường xảy ra ở thời gian khởi động hay khi tải nồi hơi thấp vì khi đó hoạt động của bộ khử khí bị hạn chế. Để giảm hiện tượng ăn mòn này nên điều chỉnh độ pH của nước nồi hơi tăng lên khi khởi động hoặc ở chế độ nhỏ tải vì sự ăn mòn giảm khi độ pH tăng. Đồng thời tăng liều lượng hoá chất xử lý ôxy hoà tan.
Cơ chế gây ăn mòn do lượng kiềm cao ở nồi hơi cao áp như sau: nếu có bề mặt trao nhiệt nào đó bị quá nhiệt do tải nhiệt cao, tại đó các tạp chất có khả năng hoà tan thấp lắng đọng trên bề mặt, còn các tạp chất dễ hoà tan như NaOH tập trung xung quanh. Khi mật độ của chúng đạt xấp xỉ 20% thì quá trình ăn mòn kim loại xảy ra mạnh theo phản ứng sau:
Fe + 2NaOH Na2FeO2 + H2 (14)
3Na2FeO2 + 4H2O 6NaOH + Fe3O4 + H2 (15)
3Na2FeO2 + 3H2O + 1/2O2 6NaOH + Fe3O4 (16)
Các hợp chất kiềm khác như K3PO4, K2HPO4 cũng gây ăn mòn. Để tránh ăn mòn do kiềm gây ra cần xử lý hàm lượng phosphate để trung hoà lượng kiềm dư.
Khi các tạp chất gây ăn mòn được mang vào từ nước cấp hoặc khi nước biển làm mát dò lọt thì quá trình ăn mòn kim loai sẽ xảy ra. Trường hợp thứ nhất, các chất gây ăn mòn bám vào các bề mặt có tải nhiệt cao, chúng gây ăn mòn kim loại khi xuất hiện hàm lượng kiềm cao, hoặc gây ăn mòn do xuất hiện pin nồng độ ôxy, nếu trong nước tồn tại ôxy hòa tan. Trường hợp nước biển dò lọt vào nước cấp, ăn
mòn kim loại diễn ra như sau: magnesium chloride có trong nước biển sẽ tác dụng với nước:
MgCl2 + 2H2O Mg(OH)2 + 2HCl (17)
2HCl + Fe FeCl2 + H2 (18)
Hai hợp chất tạo thành lại hoá hợp với nhau giải phóng MgCl2, và quá trình ăn mòn diễn ra lặp đi lặp lại.
FeCl2 + Mg(OH)2 MgCl2 + Fe(OH)2 (19)
Khi này nếu trong nước có nồng độ kiềm nhất định, thì lượng kiềm này sẽ trung hòa axít clohydric sinh ra. Tuy nhiên, hàm lượng kiềm dư này không nhiều và sẽ hết nếu quá trình dò lọt nước biển xảy ra trong thời gian dài.