Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

Глава 5

КОРРОЗИЯ РЕАКТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВОДНЫХ

СРЕДАХ

§ 5. 1

Классификация коррозионных процессов

Впроцессе эксплуатации энергетического оборудования про­ исходит разрушение металла вследствие протекания физико-хи­ мических процессов (электрохимических или химических) на границе раздела металл — среда, в данном случае металл — теп­ лоноситель. Такое разрушение металла называют коррозией. Ущерб, причиняемый народному хозяйству вследствие корро­ зии, крайне велик. В отдельных случаях даже незначительные коррозионные повреждения могут вывести конструкцию из строя. Примерно треть ежегодно добываемого металла выбы­ вает из технического употребления вследствие коррозии. Около двух третей этого количества металла регенерируется, напри­ мер, в процессе переплава скрапа. Однако примерно одна де­ сятая годовой добычи металла теряется вследствие коррозии безвозвратно. В США ежегодные убытки, причиняемые корро­ зией, оцениваются в пять миллиардов долларов.

Вядерных энергетических установках разрушение вследст­ вие коррозии, например, оболочек тепловыделяющих элементов, теплообменников, каналов может привести к остановке реакто­ ра. Кроме этого, поступление продуктов коррозии в первый кон­ тур, активация их в активной зоне и последующее отложение на элементах конструкции ухудшают обслуживание реактора и затрудняют проведение ремонтных работ. Среди аварий, приво­ дящих к остановкам ядерных энергетических установок, значи­ тельная часть обусловлена коррозионными причинами. В связи

сэтим при выборе конструкционных материалов ядерных энер­ гетических установок серьезное внимание уделяется коррозион­ ной стойкости.

Металлическое состояние для большинства технически важ­ ных металлов является термодинамически неустойчивым. Вслед­ ствие этого большинство металлов в природе встречается в ви­ де солей и окислов. Лишь благородные металлы Pt, Au и от­ части Ag, Hg, Cu находятся в природе в чисто металлическом самородном состоянии. Изменение свободной энергии при пе­ реходе 1 г-атом металла в ионное состояние для благородных металлов больше нуля, а для большинства технически важных металлов меньше нуля. Однако термодинамика, давая исчерпы-

вагощие данные о возможности протекания реакций коррозии, ничего не говорит о кинетике, скорости протекания этих реак­ ций. Реальная устойчивость металла против коррозии без учета окружающих условий не может быть охарактеризована какимлибо абсолютным числом, как это может быть сделано в отно­ шении механических свойств металлов и сплавов.

По механизму протекания коррозионного процесса следует различать два типа коррозии: химическую и электрохимиче­ скую.

Химическая коррозия подчиняется законам чисто химических гетерогенных реакций и не сопровождается возникновением электрического тока. К этому случаю может быть отнесена кор­ розия в сухих газах и неэлектролитах. В процессе химической коррозии окисление металла и восстановление окислительного компонента среды происходит в одном акте.

Электрохимическая коррозия протекает в присутствии элект­ ролитически проводящей среды. Ионизация металла и восста­ новление окислительного компонента среды протекают не в од­ ном акте. Электрохимическая коррозия подчиняется законам электрохимической кинетики и сопровождается протеканием электрического тока.

По условиям протекания коррозионного процесса различают следующие виды электрохимической коррозии:

1)коррозия при полном, частичном и переменном погруже­ нии в электролит;

2)щелевая коррозия;

3)коррозия при трении и кавитации;

4)коррозия под действием приложенного извне тока и, как частный случай, контактная коррозия;

5)коррозия под действием механических напряжений.

Взависимости от вида коррозионного разрушения принято подразделять коррозию на общую и местную. В первом случае коррозии подвергается вся поверхность металла, во втором —

только часть ее. Местная коррозия может быть нескольких ви­ дов. Если поражения на отдельных участках сравнительно не­ глубоки и занимают относительно большие участки коррозии, говорят о коррозии пятнами. При язвенной коррозии глубокие поражения локализуются на малой части поверхности: Иногда говорят о точечной коррозии. При межкристаллитной коррозии

разрушение происходит по границе кристаллитов. Коррозионное растрескивание сопровождается возникновением транскристаллитных трещин в металле. При избирательной коррозии проис­ ходит преимущественное растворение одного из компонентов сплава, например, цинка из латуни. Как правило, местная кор­ розия является более опасной, чем общая, и зачастую угрожает прочности и герметичности конструкций. Общая коррозия в ряде

122 Г л . 5. К оррозия в водны х средах

случаев вызывает загрязнение теплоносителя продуктами корро­ зии. Интенсивность общей коррозии оценивается по потере ме­ талла [мг/(м2-ч) пли г/(м2■сутки)], а также по глубине проник­ новения коррозии (мм/год), характеризующей утонение металла. В тех случаях, когда продукты коррозии прочно сцеплены с металлом, интенсивность процесса оценивается по привесу ме­ талла, т. е по количеству кислорода, связанного в окиси. В слу­ чае местной коррозии интенсивность ее оценивается глубиной проникновения коррозии по язвам (мм/год).

В соответствии с интенсивностью коррозии в данной среде металлы и сплавы разделяются по стойкости на ряд групп (ГОСТ 13819—68, см. табл. 4.4). При выборе конструкционных материалов необходимым требованием является, чтобы в усло­ виях эксплуатации ядерных энергетических установок они отно­ сились к I—III группам стойкости и не были подвержены мест­ ной коррозии.

При электрохимической коррозии протекают два взаимосвя­ занных, но в определенной степени самостоятельных процесса:

1)анодный — переход металла в раствор в виде гидратиро­ ванных ионов с оставлением эквивалентного количества электро­ нов в металле;

2)катодный — ассимиляция появившихся в результате про­ текания анодного процесса избыточных электронов какими-либо деполяризаторами (атомами, молекулами, ионами), которые

могут восстанавливаться на катоде.

Если катодный и анодный процессы разделены пространст­ венно, т. е. протекают на различных электродах пли на различ­ ных участках металла или сплава, коррозия протекает по гете­ рогенному механизму. Если катодный и анодный процессы про­ текают на одном и том же участке металла, чередуясь лишь во времени, коррозия протекает по гомогенному механизму.

§ 5. 2

Катодные реакции

Рассмотрим основные закономерности протекания катодных процессов. В ядерной энергетике при коррозии в большинстве случаев катодными процессами являются разряд ионов водорода и ионизация кислорода. В первом случае говорят о процессе коррозии с водородной деполяризацией, во втором — с кислород­ ной деполяризацией. Катодный процесс разряда иона водорода и, в частности, зависимость скорости его протекания от потен­ циала были рассмотрены ранее.