Даже оптимально спроектированный теплообменник будет бесполезен в долгосрочной перспективе, если материалы, из которых он изготовлен, не были тщательно подобраны в соответствии с окружающей атмосферой. В худшем случае это может даже привести к коррозии узла или его частей в кратчайшие сроки и необходимости преждевременной замены. В данном тексте дается обзор видов коррозии и ее влияния на теплообменники, объясняются различные потенциальные опасности и демонстрируются способы эффективной борьбы с коррозией воздухоохладителей.
Тот факт, что в природе нет в изобилии цветных металлов в чистом виде, показывает, что даже стойкие к коррозии металлы, такие как медь и алюминий, со временем подвергаются воздействию окружающей среды, то есть коррозии. Проще говоря, при этом типе коррозии химические реакции, происходившие в процессе производства, отменяются, и поэтому металлы и сплавы превращаются обратно в руды, из которых они были извлечены, например, в оксид алюминия и сульфид меди.
Конечно, это очень медленный процесс, и он едва заметен (например, медные крыши и алюминиевые фасады), но что касается воздухоохладителей, коррозия, вызванная условиями эксплуатации и неправильным выбором материалов, может развиваться с такой скоростью, что пользователи в кратчайшие сроки могут столкнуться с потерями мощности и даже утечкой.
Давайте кратко рассмотрим стоящие за этим химические процессы. На микроскопическом уровне поверхность металла является не статичной, а подвергается постоянным изменениям. Хотя атомы внутри со всех сторон окружены атомами других металлов, и поэтому могут насыщать все свои электроны, атомы на поверхности в некоторых случаях не имеют необходимых партнеров. Однако им удается связывать молекулы из окружающей среды с твердой поверхностью. В сущности, поверхностные атомы в некоторых случаях образуют новые связи с этими молекулами и, как следствие, теряют свои металлические характеристики.
Это означает, что тонкий неметаллический слой на оголенной поверхности всех цветных металлов образуется очень быстро, когда они подвергаются воздействию воздуха или помещаются под воду. Относится ли это к первым стадиям коррозийной атаки, будет зависеть от различных факторов. В зависимости от типа металла и окружающей среды, этот слой может как значительно замедлять любую дальнейшую коррозию (например, алюминий), так и почти не оказывать заметного влияния на скорость химических реакций, происходящих на поверхности металла (например, нелегированная сталь).
Типы коррозии:
Пять из 56 видов коррозии, описанных в DIN EN ISO 8044, которые, в частности, влияют на теплообменники:
1. Равномерная коррозия поверхности.
2. Точечная коррозия (локальная коррозия).
3. Мелкая коррозия.
4. Щелевая коррозия.
5. Контактная коррозия (= биметаллическая коррозия или гальваническая коррозия)
(См. рисунки)
Все эти типы коррозии обусловлены одним и тем же основным принципом, то есть механизмом электрохимической коррозии, при котором на поверхности металла всегда происходят две частичные реакции. Во-первых, металл высвобождает электроны в области анода, которые поглощаются другими реагентами в области катода. Реагентом в большинстве случаев является кислород.
O2 + 4e- + 2 H2O —> 4 OH
Вода играет важную роль в этом процессе, так как она растворяет соли и может проводить ионы и, следовательно, действует как электролит.
Вода всегда присутствует вокруг теплообменника, будь то конденсат, дождь или влажность. Чем дольше и чаще влажность действует на поверхность, тем быстрее будут работать процессы коррозии. То же самое можно сказать о температуре. Чем она выше, тем быстрее будет развиваться коррозия. Это означает, что воздухоохладители в холодильных камерах с нормальной и положительной температурой требуют большей защиты от коррозии, чем сопоставимые устройства, используемые в условиях глубокой заморозки.
Вопрос о том, разрушается ли металлическая заготовка или на ней создается защитный слой, в конечном итоге зависит от того, что происходит с атомами металла, которые высвобождают электроны. Только некоторые из этих положительно заряженных ионов металлов растворяются в воде. Остальные реагируют с отрицательно заряженными ионами, присутствующими в электролитах, с образованием солей металлов и формированием поверхностных слоев в области анода. Если они слабо связаны и пористы по своей природе, кислород и вода могут продолжать действовать на металл практически беспрепятственно и все больше растворять его. Примерами этого являются типичные ржавые коричневого цвета области, которые накапливаются на компонентах, изготовленных из нелегированной стали, а в некоторых случаях даже отслаиваются сами по себе, или зелень, образующаяся при воздействии уксусной кислоты на медь, которая очень хорошо растворяется в воде.
Однако, если поверхностный слой прочно прикреплен и настолько толст, что электролит едва ли может проникнуть через него к поверхности металла, дальнейшие процессы коррозии будут значительно замедлены. Хорошо известным примером такого защитного поверхностного слоя является медная патина, которая состоит из основных солей меди, которые (в отличие от зелени) трудно растворимы в воде.
Определение «коррозии» согласно DIN EN ISO 8044:
«Коррозия — это физико-химическое взаимодействие между металлом и окружающей средой, которое приводит к изменению свойств как самого металла (в основном к ухудшению свойств конструкционного материала), так и среды или технической системы, частью которого этот материал является."
Пассивный слой.
Пассивный слой очень похож на медную патину, но намного тоньше. Он, например, очень быстро растёт на чистом алюминии и хромсодержащей стали (обычно называемой «нержавеющей сталью»). Этот оксидный слой, толщиной иногда всего несколько нанометров, обеспечивает чрезвычайно эффективную защиту от коррозии. Однако, как правило, при этом есть два ограничения. Во-первых, оксидные слои не являются стабильными во всех диапазонах значений pH, поэтому, например, алюминий рекомендуется использовать только при значениях pH от 4,5 до 8,5.
Во-вторых, так же, как поверхность металла, оксидный слой является очень активным пограничным слоем, который постоянно меняется и пытается включить ионы, присутствующие в электролите. Следовательно, если хлориды, в частности, попадут в оксидный слой, он также станет проницаемым со временем, и нижележащий чистый металл начнет растворяться.
Ионная решетка обычно разбивается в изолированных локализованных областях. Это явление затем становится заметным на последующей стадии в виде точечной коррозии.
Локализованная концентрация отдельных видов веществ оказывает огромное влияние на скорость процесса коррозии. В щелях, углах и под адгезивными загрязнениями концентрации отдельных веществ могут значительно отличаться от концентраций в остальной части электролита.
Таким образом, в этих местах может развиваться совершенно другая проводимость и совершенно другое значение pH. Коррозийная среда затем развивается локально, хотя фактический состав электролита не может быть оценен как коррозионный.
Гальваническая коррозия.
Если в заготовке вступают в контакт два металла, например алюминиевая ламель и медная труба, то анод и катод определяются исключительно посредством соответствующих электрохимических потенциалов обоих металлов. Медь, например, при pH 7,5 (нейтральный диапазон) имеет потенциал +0,1 В, а алюминий имеет потенциал приблизительно -0,7 В. В этой установке медь действует как катод, а более цельный алюминий - как анод.
К тому же, если катод (к которому мигрируют электроны) имеет очень большую площадь поверхности, то анод преимущественно будет выделять электроны, и воздействие на металл (коррозия) в области анода будет соответственно высоким. Поэтому отношение площади поверхности катода к аноду является важным фактором с точки зрения скорости коррозии.
Неблагоприятные условия окружающей среды
Как объяснялось в начале, каждый цветной металл подвержен экологическим изменениям. То, как быстро это происходит, во многом зависит от параметров окружающей среды, то есть температуры, влажности, воздействия химических веществ и т. д.
Полудрагоценная медь, в частности, становится настолько «недрагоценной» в присутствии сульфатов, ацетатов, хлоридов, аммиака, аминов, оксидов азота, раствора гидроксида натрия, гипохлоритов и формиатов и т. д., что она разъедается и растворяется (если также присутствует кислород).
Поэтому следует уделять особое внимание теплообменникам, рядом с которыми используются определенные материалы и вещества, такие как табачные изделия, маринованные продукты, рыба, сыр, сточные воды, процессы ферментации и агрессивные чистящие средства.
Как уже объяснялось выше, алюминий не может переносить ни высокие, ни низкие значения рН, ни большого количества хлоридов. Как таковой, без какой-либо специальной защиты от коррозии, он, в сущности, не подходит для использования в областях, в которых обрабатываются кислые пищевые продукты (например, приправы и фрукты) и рыба. Морской климат также имеет отрицательное влияние на срок службы. Алюминий также не должен вступать в контакт с сильными щелочными или кислотными чистящими средствами.
Высокая коррозионная стойкость нержавеющей хромоникелевой стали в основном обусловлена образованием пассивного слоя оксида хрома, который сам по себе очень устойчив к концентрированным щелочам и кислотам.
Однако высокие концентрации галогенидов, таких как ионы фтора, хлорида и бромида, препятствуют образованию этого пассивного слоя и делают эти стали подверженными локальной коррозии, такой как точечная или щелевая коррозия.
Такие высокие концентрации могут, например, быть очень быстро достигнуты, когда используются хлоридсодержащие чистящие средства (гипохлорит, активный хлор и т. д.). Поэтому даже охладители из нержавеющей стали необходимо промывать большим количеством пресной воды после очистки, так как в противном случае со временем хлорид попадет в щели и другие труднодоступные части, и критические точки концентрации, в которых начнутся процессы коррозии, будут быстро превышены.
Меры защиты от коррозии
Неблагоприятные условия окружающей среды, которые по причинам коррозии исключают использование стандартных воздухоохладителей с медными трубами, алюминиевыми ламелями и решеткой из оцинкованной стали, требуют применения соответствующих мер защиты. Варианты включают в себя:
1. Увеличение толщины материалов
2. Использование коррозионностойких материалов (алюминиево-магниевые сплавы или нержавеющая сталь) или комбинаций материалов (медная труба с медным оребрением)
3. Защитное покрытие отдельных компонентов или всего теплообменника
Защитное покрытие для теплообменников KSM PROTECT SP
Данное покрытие наносится методом распыления и позволяет значительно снизить риск коррозии меди, алюминия, оцинкованной и нержавеющей сталей. Пожалуйста, запрашивайте дополнительную информацию в компании KSM.
Важное замечание: защита воздухоохладителей методом окунания всегда превосходит по коррозионной стойкости метод распыления!
Заключение:
Способов эффективной борьбы с коррозией существует так же много, как и факторов, способствующих развитию коррозии в пищевой промышленности. Последнее связано, во-первых, с различными продуктами питания, которые хранятся и / или обрабатываются (например, рыба с морской водой, мясо, сыр, фрукты, уксус, соль) и, во-вторых, с использованием чистящих средств, которые часто содержат агрессивные, сильно кислотные или щелочные ингредиенты. Преобладающая влажность и комнатная температура также оказывают существенное влияние на коррозионные процессы.
Применение коррозионной защиты KSM PROTECT может значительно увеличить срок службы воздухоохладителей при правильном нанесении и использовании.