Kominiarz Polski - nr 3/98

Złoto czy tombak?


Zdarza się, że domorośli konstruktorzy i wykonawcy wykonują wkłady kominowe z nieodpowiedniego surowca i niewłaściwej konstrukcji. Na budowie nie da się jednoznacznie stwierdzić czy oferowana tak zwana "kwasówka" jest naprawdę tą, która może bezpiecznie odprowadzać spaliny. Dla Inwestora i wykonawcy jedno powinno być najważniejsze. W żadnym przypadku nie można instalować wkładów nie posiadających wymaganych atestów. Zgodnie z obowiązującymi przepisami na każdym elemencie wkładu kominowego musi być trwała cecha producenta i znak dopuszczenia do stosowania. Sprawdzenia prawidłowości montażu powinien dokonać mistrz kominiarski, który jest upoważniony do wydania opinii kominiarskiej przed podłączeniem kotła. Zastosowanie wkładu kominowego, który nie spełnia warunków jakościowych poza narażeniem inwestora na koszty bardzo trudnego demontażu i wymiany, może zagrażać bezpieczeństwu użytkowania kotła gazowego. Na pytanie jaka powinna być stal używana do wykonania kominów i na jakie czynniki jest ona odporna odpowiedź zawiera poniższe opracowanie. (red.)

"Określenie ekstremalnych i optymalnych warunków pracy kominów wykonanych ze stali nierdzewnych 1.4404" Opracowano przy współpracyUniwersytetu Wrocławskiego


Wstęp.

W grupie wyrobów przemysłu metalurgicznego do wyjątkowych należą stale o szczególnych właściwościach chemicznych i fizycznych. Są to stale odporne zarówno na korozję chemiczną, jak i gazową przy wysokich temperaturach, stale i stopy niemagnetyczne i magnetyczne posiadające szczególne własności w zakresie rozszerzalności cieplnej.

Wszystkie te cechy i właściwości uzależnione są głównie od składu chemicznego oraz procentowych stosunków poszczególnych składników. Do stali o szczególnych cechach należą stale odporne na korozję (stale nierdzewne). Korozją nazywamy niszczenie materiału następujące wskutek działania agresywnego środowiska. Korozja rozpoczyna się zawsze na powierzchni, ale jej postęp w głąb nie zawsze jest równomierny. Ze względu na środowisko, w którym zachodzi korozja, rozróżniamy korozję w cieczach, zwykle w roztworach wodnych, mającą przeważnie charakter elektrochemiczny i korozję gazową, występującą szczególnie przy wysokich temperaturach. Przykładem pierwszej może być rozpuszczanie się metali w kwasach, drugiej tworzenie się zgorzeli na powierzchni metalu. Podział taki jest raczej formalny, ponieważ reakcje których wynikiem jest korozja są często skomplikowane, a niektóre zjawiska towarzyszące korozji mogą występować zarówno w środowisku ciekłym jak i gazowym.

Zasadniczo istnieją dwa sposoby zapobiegające korozji stali:

1. zastosowanie powłok ochronnych
2. wprowadzenie do stali składników stopowych powiększających jej odporność chemiczną.

Odporność na korozję stali zwanych nierdzewnymi polega na działaniu chromu, który powiększa zdolność do pasywacji stopów żelaza. Pasywacja czyli przejścia w stan pasywny zaczyna się skokową zmianą potencjału elektrochemicznego metalu lub stopu na bardziej dodatni. Pasywacja jest zjawiskiem zależnym od zdolności utleniania jaką mają różne środowiska oraz składu chemicznego. Wiadomo, że żelazo i miękka stal pasywują się w stężonym kwasie azotowym oraz w roztworach związków silnie utleniających. Natomiast wodór i jony CL niszczą pasywację lub w ogóle zapobiegają jej powstawaniu. Pasywacja żelaza jest na ogół nietrwała. Natomiast niektóre metale pasywują się łatwiej. Do takich metali należy chrom, którego odporność na korozję polega na łatwości pasywowania się. Proces ten polega na pokryciu się powierzchni metalu cienką warstwą faz przejściowych zabezpieczających przed korozją. Określa się, że w wyniku pasywacji na powierzchni metalu lub stopu powstaje molekularna warstewka tlenu związana powierzchniowo dzięki siłom chemisorbcji. Inna zaś teoria twierdzi, że pasywacja jest pokryciem powierzchni metalu lub stopu cienką warstwą tlenków, których przyleganie odbywa się na zasadzie powinowactwa strukturalnego pomiędzy podłożem, a warstewką powierzchniową. Chrom nie tylko odznacza się dużą skłonnością do pasywacji, ale przenosi również tę skłonność do stopu z innymi metalami. Stopy żelaza z chromem pasywują się w roztworach wody utlenionej już przy zawartości 6-8% Cr, a przy 13-14% Cr pod wpływem tlenu zawartego w powietrzu pojawia się odporność chemiczna w tych warunkach. Należy jednak zwrócić uwagę, że odporność stopów żelaza z chromem zależy także od zawartości węgla i podziału chromu między węgliki a osnowę. Jeżeli w strukturze stopu występują węgliki bogate w chrom, to osnowa jest odpowiednio zubożona, a zawartość w niej chromu może być za niska, aby zapewnić odporność na korozję. Stale zawierające 12-14% Cr są odporne na korozję przy zawartości węgla do 0,3% natomiast wzrost zawartości węgla nawet powyżej 0,3% powoduje utratę przez stal odporności na korozję. Trzeba stwierdzić, że stale powszechnie uważane za nie ulegające procesom korozji w zależności od postaci środowiska, cech stopu i innych warunków mogą ulegać temu procesowi przyjmując następujące formy:

1. Korozja równomierna jest często spotykana w środowisku kwaśnym. Powoduje ona regularne zmniejszenie grubości metalu i może być łatwo identyfikowalna. Powierzchnia jest gładka o wyglądzie metalicznym, jeżeli czynnikiem agresywnym są roztwory kwasów utleniających lub ich mieszaniny. W kwasach nieutleniających powstają na powierzchni cienkie warstwy osadu.

2. Korozja wżerowa ma inny charakter. Metal jest atakowany tylko w pewnych miejscach powierzchni wskutek czego powstają wżery, często bardzo głębokie, prowadzące finalnie do przebicia blachy na wylot.

3. Korozja międzykrystaliczna ma miejsce wówczas, gdy roztwór atakuje granice ziarn bez naruszenia ich wnętrza. Korozja postępuje od powierzchni w głąb metalu granicami ziaren, co powoduje osłabienie ich spójności. Ten typ korozji powoduje gwałtowny spadek wytrzymałości i ciągliwości wyrobu. Próbka metalu dotkniętego korozją międzykrystaliczną nie wydaje dźwięku metalicznego, a przy zgniataniu pęka.

4. Korozja naprężeniowa występuje w roztworach stosunkowo mało agresywnych, głównie chlorków (również bromków i jodków) przy równoczesnym działaniu naprężeń rozciągających. Mogą to być zarówno naprężenia wywołane siłami zewnętrznymi jak i naprężenia własne wywołane np. Zgniataniem na zimno, spawaniem. Korozja naprężeniowa przejawia się powstawaniem pęknięć, które w stalach nierdzewnych przebiegają głównie przez ziarno. Korozja naprężeniowa jest wynikiem działania chemicznego i naprężeń łącznie.

5. Korozja kontaktowa występuje w miejscach, gdzie stal nierdzewna styka się z innymi metalami np. Stopem miedzi, dzięki czemu powstać może ogniwo elektrochemiczne. Lokalne ubytki metalu w środowisku mogą być wówczas znaczne.

Jak już wspomniano, podstawowym składnikiem wszystkich metali nierdzewnych jest chrom, przy czym jego zawartość wynosić musi co najmniej 12%.

Oprócz chromu w skład tych stali często wchodzi nikiel, jako drugi składnik podstawowy. Domieszka niklu powoduje, że stal przyjmuje stałą strukturę austeniczną. Nierdzewiejące stale austeniczne (zwane także kwasoodpornymi) są w zasadzie stalami chromowo-niklowymi o bardzo niskiej zawartości węgla od 0,1 - 0,3% przy zawartości 17% Cr i domieszką 8% niklu powoduje uzyskanie struktury austenicznej.Stwierdzono, że wyżej podane warunki, a zwłaszcza warunek ilości węgla w stopie zwiększają wydatnie odporność chemiczną stopu. Stale austeniczne wrażliwe są na korozję naprężeniową. Warunkiem koniecznym do jej wystąpienia jest równomierne działanie naprężeń rozciągających i środowiska, głównie chlorków i wapnia, sodu i magnezu, roztworów alkalicznych lub wody albo nawet pary wodnej zawierającej także zanieczyszczenia, jeżeli tylko istnieją warunki koncentracji tych zanieczyszczeń. Środkami zapobiegawczymi są takie rozwiązania, które uniemożliwiają koncentrację zanieczyszczeń. Stal 1.4404 stosowana do produkcji systemów odprowadzania spalin przez Firmę "MK" Sp. z o.o. jest odpowiednikiem wg PN-71/H-86020-00H17N14M2 co oznacza, że w stopie

- zawartość węgla nie przekracza 0,03%,
- chromu 16 - 18%,
- niklu 15 - 15%.

Badanie odporności na korozję stali 1.4404 prowadzono w kilku wariantach technicznych z wykorzystaniem kontaktu statycznego z medium stali przez okres 200 godzin w warunkach podwyższonej temperatury i ciśnienia w komorze trawiennej przez 72 godziny oraz kontaktując próbki z agresywnymi mediami po uprzednim ich wyżarzeniu do temp. 900°C. Analizy wykonywano przy pomocy mikroskopu skaningowego Stereoscann Cambrige Instruments przy powiększeniach 100 - 3000 razy. Skład makro jak i mikroobszarów stopu oparto o mikrosondę rentgenowską.

Wyniki badań korozyjności środowisk na stal 1.4404 ilustruje poniższa tabela

Tabela 1

+ korozyjne działanie
- brak korozyjnego działania

Podsumowanie i wnioski

Kwasy
Odporność stali 1.4404 na działanie kwasu azotowego w szerokim zakresie temperatur i stężeń jest dobra. Kwas solny powoduje silną korozję stali austenicznych. Inhibitorami korozji są domieszki kwasu azotowego lub siarczan miedzi. Stal 1.4404 jest odporna na kwasy organiczne.

Zasady
Stal 1.4404 jest odporna na działanie roztworów alkalicznych. Roztwory wodorotlenku sodu i potasu nie powodują rdzewienia, ale roztwory stężone prze temp. Wrzenia mogą być agresywne.

Sole
Związki chlorowców jak np. Chlorek amonu i chlorek wapnia powodują korozję wżerową szczególnie w roztworach kwaśnych. Stal 1.4404 ulega łatwo korozji wżerowej w roztworach podchlorynów.

Systemy kominowe produkowane ze stali kwasoodpornych mają za zadanie odprowadzenie spalin z paleniska kotła do atmosfery zapewniając równocześnie określony przez producentów kotłów minimalny ciąg. Zaleca się aby emisje substancji szkodliwych w spalinach wyrażony w g/GJ w nominalnych warunkach pracy kotła i nie zakłóconym odpływie spalin nie była większa niż podana w tabeli.

Tabela 2

Z punktu widzenia poprzednich rozważań wynika, że dla stali kwasoodpornej 1.4404 związki zawarte przy spalaniu gazu ziemnego nie przedstawiają żadnych problemów.

Natomiast w przypadku oleju opałowego, który zawsze zawiera w swojej strukturze siarkę, która w trakcie spalania utlenia się SO i niewielkiej ilości SO3. Trójtlenek siarki normalnie przybiera postać gazową i jest nieszkodliwy, jednakże w instalacji kominowej jest schładzany poniżej punktu rosy, wytwarzając kwas siarkowy H2SO4 z tego punktu widzenia zastosowanie stali 1.4404 jest bezwzględnie konieczne. Rozwiązania powyższe mają charakter teoretyczny, zakładają, że powietrze dostarczane do palnika pobierane jest z atmosfery kotłowni i nie zawiera żadnych zanieczyszczeń. Natomiast jeśli w pomieszczeniach kotłowni bądź środowisku, z którego pobierane jest powietrze występują substancje typu chlorki, bromki czy też związki zawierające wolny chlor to w procesie spalania do systemu odprowadzania spali przedostaną się również w/w związki i jest tylko kwestią czasu kiedy nastąpi korozja komina.

Pomiary środowiska atmosfery dokonuje się przy pomocy rurek Dragera. Zdajemy sobie sprawę z tego, że pomiary są trudne do wykonania. Chcemy zwrócić uwagę na czystość w pomieszczeniu kotłowni, w której nie powinny być gromadzone żadne substancje, nie powinny to być pomieszczenia produkcyjne, usługowe ani podręczne magazynki, ponieważ zawsze istnieje możliwość wystąpienia substancji chemicznych, które działają niszcząco na komin. Uzupełnieniem tych rozważań jest zwrócenie uwagi na to, że wyjście kotła, na które nakłada się rurę kwasoodporną może ulegać korozji kontaktowej. Dlatego należy zawsze oddzielić elektrycznie podłączenie kotła z nakładaną nań rurę 1.4404 czopucha. Pod żadnym pozorem przejście rur przez ściany (np. czopuch do komina ceramicznego) nie może być bezpośrednio obmurowane. Zaprawa cementowa zawiera związki chloru i spowoduje korozje wżerową instalacji odprowadzania spalin. Komin ze stali kwasoodpornej należy w trakcie montażu i eksploatacji zabezpieczyć przed kontaktem z zaprawą cementową oraz innymi metalami typu miedź, stal zwykłej jakości. Materiał został opracowany i przekazany celem zwrócenia uwagi klientom na przyczyny ewentualnych uszkodzeń instalacji odprowadzania spalin.

"MK" Sp. z o.o. - Żary