Korozja kominów stalowych

Zjawisko korozji kominów stalowych to element nierozerwalnie związany z tematem eksploatacji wyrobów wykonanych ze stali szlachetnej. Dlaczego kominy korodują? Czym kierować się przy wyborze komina stalowego? Na jakie parametry stali zwracać uwagę?

Gatunki stali nierdzewnej w produkcji kominów

Producenci stalowych systemów kominowych stosują zazwyczaj kilka gatunków stali, dobierając je w zależności od warunków, w jakich komin będzie eksploatowany. Gatunki stali, z których produkowane są kominy, różnią się zawartością i proporcjami poszczególnych pierwiastków chemicznych, a to one decydują o właściwościach przewodu. Należy pamiętać, że nie każdy komin stalowy nadaje się do odprowadzania spalin generowanych przez każdy rodzaj paliwa. Z tego powodu tak istotny jest jego właściwy dobór najlepiej na podstawie parametrów urządzenia grzewczego.

Stal stosowaną w produkcji metalowych przewodów kominowych to stal odporna na korozję, która ze względu na właściwości dzieli się na:

  • stal nierdzewną,
  • stal żaroodporną,
  • stal żarowytrzymałą.

Zgodnie z definicją stal odporna na korozje to stal zawierająca co najmniej 10,5% chromu [Cr] i maximum 1,2% węgla[C]. Odporność korozyjna stali jest zapewniona przez cienką warstwę tlenków chromu i żelaza na powierzchni materiału i jest to tzw. warstwa pasywna. Ważną cechą warstwy pasywnej, poza zapewnieniem odporności korozyjnej, jest umiejętność do samoodtwarzania (odbudowy).

Ze względu na strukturę powierzchni stale odporne na korozje dzieli się na:

  • ferrytyczne,
  • austenityczne,
  • martenzytyczne - umacniane wydzieleniowo,
  • ferrytyczno-austenityczne.

Właściwości stali austenicznych i ferrytycznych

Do produkcji przewodów kominowych stosuje się przede wszystkim odporne na korozję stale ferrytyczne i austenityczne. Różnice we właściwościach stali ferrytycznych i austenitycznych wynikają z odmienności ich struktur krystalograficznych.

Strukturę austenityczną osiąga się poprzez ograniczenie węgla do <0,1% i wprowadzenie oprócz chromu[Cr]decydującego o odporności na korozję niklu [Ni],który zapewnia jednorodną strukturę austenityczną (nikiel może być częściowo zastąpiony manganem [Mn]).

Przykładem stali austenitycznej stosowanej w produkcji przewodów kominowych jest stal 1.4301[X5CrNI18-10, AISI 304]. Stal tego gatunku wykorzystuje się jako zewnętrzną osłonę w kominach dwupłaszczowych (izolowanych), ale także jako wkłady do odprowadzania spalin. Zamiennie można stosować stal 1.4404 [X2CrNiMo17-12-2, AISI 316L]. W bezpośrednim porównaniu stali 1.4301 i 1.4404 nieco korzystniej wypada druga z nich ze względu na wyższą odporność korozyjną zapewnioną przez wysoką zawartość niklu [10-13%]w porównaniu do 1.4301[8-10.5%]. Stal 1.4301 stanowi swego rodzaju alternatywę dla stali 1.4404.

Do grupy stali austenitycznych należy również stal nierdzewna 1.4828 (X15CRNiSi20-12, AISI 309), która jest stalą żaroodporną, oznacza to że jest ona odporna na podwyższoną temperaturę powietrza nawet do ok. 1050 C.W przypadku spalin odporność ta jest mniejsza i wynosi 600 C. Tak wysoką odporność ten gatunek stali zawdzięcza sporej zawartości chromu[Cr] [19-21%] i niklu [Ni 12-13%] oraz dodatkowi krzemu [SI 1,5-2%] .

Stal nierdzewna ferrytyczna jako główny składnik stopowy zawiera chrom[Cr]oraz niewielkie domieszki molibdenu [Mo],tytanu [Ti] czy niobu{Nb]. Nazwa tego typu stali wynika z faktu że w swej budowie strukturalnej zawiera ferryt, który jest roztworem stałym węgla w żelazie, zawierający niewielkie ilości, mniejsze niż 0,025% węgla[C]oraz niekiedy inne dodatki stopowe.

Przedstawicielem stali ferrytycznej stosowanej w produkcji kominów może być stal 1.4521 posiada ona niższą odporność na korozję i jest stosowana jako zamiennik stali 1.4404 i 1.4301.

Stale austeniczne i ferrytyczne oraz rodzaje korozji

Przypomnijmy, że korozja jest to oddziaływanie fizykochemiczne między metalem a środowiskiem, w wyniku którego powstają zmiany we właściwościach metalu prowadzące do znacznego pogorszenia funkcji metalu, środowiska lub układu technicznego, którego są częściami. Obciążenie korozyjne może być niejednokrotnie wyższe w środowisku powietrza atmosferycznego np.: w laboratoriach chemicznych, drukarniach czy zakładach fryzjerskich

Korozja to zjawisko które dotyka wielu użytkowników kotłów na paliwa stałe. Stal narażona jest najczęściej na korozję międzykrystaliczną lub korozję wżerową.

Korozja międzykrystaliczna należy do najgroźniejszych typów korozji. Ten typ korozji może występować zarówno w stalach austenitycznych jak i ferrytycznych. Atakuje stale nierdzewne wzdłuż granic ziaren.

Czynnikiem sprzyjającym korozji międzykrystalicznej jest obecność węgla [C]w austenicie Cr-Ni. Na ten typ korozji szczególnie narażone są stale austenityczne zawierające >0.03% węgla [C] tworzącego na granicach ziaren węgliki chromu, co powoduje zubożenie okolic granic ziaren w chrom. Zjawisko to może zachodzić bez dostrzegalnych oznak zewnętrznych, a w efekcie narusza spójność pomiędzy poszczególnymi ziarnami. Taka sytuacja może mieć miejsce w przypadku pożaru sadzy, gdy temperatura w sposób dynamiczny jest w stanie osiągnąć poziom przekraczający 1000 C. Korozja międzykrystaliczna zachodzi również w stalach ferrytycznych, w których szkodliwy jest nie tylko węgiel [C] ale i azot [N] z powodu małej rozpuszczalności oraz dużej szybkości dyfuzji. Wynikiem tego typu korozji jest utrata wytrzymałości i plastyczności.

Korozji mikrokrystalicznej można zapobiec na dwa sposoby:

  • poprzez obniżenie zawartości węgla poniżej 0,03% (jest to skuteczne pod warunkiem, że stal austenityczna nie będzie wygrzewana w zakresie uwrażliwiania na korozję międzykrystaliczną 500-800 C przez długi okres, a ferrytyczna przy temperaturze ok.750 C).
  • poprzez wprowadzenie do stali mikrododatków tytanu (Ti) lub niobu (Nb), które i wiążą węgiel w trwałe węgliki. Nadmiar tytanu (Ti) może pogorszyć ogólną odporność na korozję.

Korozja wżerowa to kolejny rodzaj korozji występujący w stalach nierdzewnych. Wywołują ją jony chloru (CI) i innych chlorowców (bromu 9Br), fluoru (F). Atakują one stal w miejscach uszkodzenia warstwy pasywnej (głównie na wtrąceniach niemetalicznych).

W wyniku korozji wżerowej w materiale powstają lokalne ubytki – wżery. Spowodowana jest ona działaniem ogniw galwanicznych tworzących się pomiędzy spasywowaną powierzchnią stali a leżącymi na niej wyraźnie zlokalizowanymi strefami bez pasywacji. Roztworami, które najczęściej wywołują korozję wżerową stali nierdzewnej, są roztwory chlorków, spośród których najagresywniejsze FeC I 3,CaCL2 oraz chlorki metali alkalicznych.

Korozji tej zapobiega się zwiększoną zawartością chromu (Cr) i dodatkiem molibdenu (Mo 1,4-5% a także wolframu i azotu (N). Dla zapobieżenia tworzeniu się ferrytu zwiększa się zawartość niklu (Ni) do 16 %.

W przypadku tego typu korozji ważny jest stan powierzchni stali, tym powierzchnia jest gładsza i czystsza tym intensywność korozji jest mniejsza.

Odporność na korozję a klasy kominów

Kominy w zależności od odporności na korozję możemy znakować: V1,V2,V3,Vm w przypadku wykonania stosownych prób odporności na korozję dla danego rodzaju medium (gaz, olej opałowy, paliwa stałe). Poszczególne klasy oznaczają w praktyce rodzaj paliwa, które możemy zastosować w danym kominie.

Odporność dla V1 - paliwa gazowe

W trakcie badań kominy poddawane są badaniom przebiegającym w 2016 cyklach naprzemiennie występujących po sobie 4 faz traktowania spalinami o temperaturze 85 lub 120, ochładzania, zasilania spalinami o temperaturze znamionowej oraz faza chłodzenia do temperatury 45 C do spalin dodaje się (trichloropropan) zgodnie z PN-EN 1856-1.

Odporność dla V2 - paliwa gazowe, olejowe i drewno w paleniskach otwartych

Próbki podaje się 30 cyklom badawczym, przy czym każdy z cykli składa się z fazy kondensacji pary wodnej ze spalin oraz fazy suszenia. Badania prowadzi się przy zastosowaniu lekkiego oleju opałowego.

Odporność V3 - paliwa gazowe, olejowe i stałe

Badany komin poddaje się naprzemiennej próbie odporności na działanie spalin powstałych ze spalania antracytu oraz oleju opałowego. Również w tej próbie dodaje się odpowiednią dawkę chlorków. Próbki poddawane są badaniom metalograficznym (poszukiwanie oznak korozji)

Odporność Vm oznaczamy w przypadku deklaracji producenta stali o stopniu odporności na korozje na podstawie rodzaju materiału i grubości ścianek, a nie na podstawie wspomnianych wyżej badań.

Nie można wykluczyć, że znaczna grupa korodujących kominów stalowych może być efektem ignorowania takich zagadnień, jak prawidłowy dobór komina pod względem materiałowym, czy pomijanie wymagań eksploatacyjnych.
Komin stalowy to rozwiązanie popularne, sprawdzone, a w niektórych obszarach zastosowania wręcz niezastąpione (renowacja starych kominów). Kominom stalowym zawsze będzie towarzyszyć zjawisko korozji podobnie jak innym elementom funkcjonalnym wykonanym z tego rodzaju materiału, lecz zjawisko to możemy skutecznie minimalizować, co z pewnością odbędzie się z korzyścią dla rynku kominów stalowych oraz użytkowników tychże rozwiązań.

Literatura
dr inż. Wioletta Zając-Wstawska Instalator.pl
Przybyłowicz K. Inżynieria stopów żelaza .Kielce 2008r