Chúng tôi sử dụng cookie để cải thiện trải nghiệm của bạn. Bằng cách tiếp tục duyệt trang web này, bạn đồng ý với việc chúng tôi sử dụng cookie. Thông tin bổ sung.
Hệ thống dược phẩm sử dụng hơi nước tinh khiết bao gồm máy phát điện, van điều khiển, ống dẫn phân phối, bẫy nhiệt động học hoặc cân bằng, đồng hồ đo áp suất, bộ giảm áp, van an toàn và bình tích áp thể tích.
Hầu hết các bộ phận này được làm bằng thép không gỉ 316 L và chứa các gioăng fluoropolymer (thường là polytetrafluoroethylene, còn được gọi là Teflon hoặc PTFE), cũng như các vật liệu bán kim loại hoặc chất đàn hồi khác.
Các bộ phận này dễ bị ăn mòn hoặc xuống cấp trong quá trình sử dụng, ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống hơi nước sạch (Clean Steam - CS) thành phẩm. Dự án được trình bày chi tiết trong bài viết này đã đánh giá các mẫu thép không gỉ từ bốn nghiên cứu trường hợp hệ thống CS, đánh giá rủi ro tác động ăn mòn tiềm tàng lên quy trình và các hệ thống kỹ thuật quan trọng, đồng thời kiểm tra các hạt và kim loại trong nước ngưng tụ.
Các mẫu đường ống bị ăn mòn và các bộ phận của hệ thống phân phối được đặt để nghiên cứu các sản phẩm phụ của quá trình ăn mòn. 9 Đối với mỗi trường hợp cụ thể, các điều kiện bề mặt khác nhau đã được đánh giá. Ví dụ, hiện tượng đổi màu bề mặt tiêu chuẩn và ảnh hưởng của quá trình ăn mòn đã được đánh giá.
Bề mặt của các mẫu tham chiếu được đánh giá về sự hiện diện của cặn mờ bằng cách kiểm tra trực quan, quang phổ điện tử Auger (AES), quang phổ điện tử để phân tích hóa học (ESCA), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và quang phổ quang điện tử tia X (XPS).
Các phương pháp này có thể tiết lộ các đặc tính vật lý và nguyên tử của sự ăn mòn và lắng đọng, cũng như xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến các đặc tính của chất lỏng kỹ thuật hoặc sản phẩm cuối cùng.
Sản phẩm ăn mòn của thép không gỉ có thể có nhiều dạng, chẳng hạn như lớp oxit sắt màu đỏ son (nâu hoặc đỏ) trên bề mặt bên dưới hoặc bên trên lớp oxit sắt (đen hoặc xám)2. Khả năng di chuyển xuống hạ lưu.
Lớp oxit sắt (lớp mờ đen) có thể dày lên theo thời gian khi các cặn lắng trở nên rõ rệt hơn, được chứng minh bằng các hạt hoặc cặn lắng có thể nhìn thấy trên bề mặt buồng khử trùng, thiết bị hoặc vật chứa sau khi khử trùng bằng hơi nước, có hiện tượng di chuyển. Phân tích trong phòng thí nghiệm các mẫu nước ngưng tụ cho thấy tính chất phân tán của bùn và lượng kim loại hòa tan trong chất lỏng CS.
Mặc dù có nhiều nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này, nhưng máy phát CS thường là nguyên nhân chính. Không hiếm khi thấy oxit sắt đỏ (nâu/đỏ) trên bề mặt và oxit sắt (đen/xám) trong các lỗ thông hơi di chuyển chậm qua hệ thống phân phối CS. 6
Hệ thống phân phối CS là một cấu hình phân nhánh với nhiều điểm sử dụng kết thúc ở các khu vực xa hoặc ở cuối đường ống chính và nhiều đường ống nhánh phụ khác nhau. Hệ thống này có thể bao gồm một số bộ điều chỉnh để giúp giảm áp suất/nhiệt độ tại các điểm sử dụng cụ thể, những điểm có thể là điểm gây ăn mòn.
Hiện tượng ăn mòn cũng có thể xảy ra trong các bẫy có thiết kế vệ sinh được đặt ở nhiều điểm khác nhau trong hệ thống để loại bỏ nước ngưng tụ và không khí khỏi dòng hơi nước sạch chảy qua bẫy, đường ống phía hạ lưu/đường ống xả hoặc ống góp nước ngưng tụ.
Trong hầu hết các trường hợp, hiện tượng di chuyển ngược chiều rất có thể xảy ra khi cặn gỉ tích tụ trên bẫy và lan ngược dòng vào và vượt ra ngoài các đường ống hoặc thiết bị thu gom tại điểm sử dụng liền kề; gỉ hình thành trong bẫy hoặc các bộ phận khác có thể được nhìn thấy ở thượng nguồn của nguồn gây ra hiện tượng di chuyển liên tục xuôi dòng và ngược dòng.
Một số bộ phận bằng thép không gỉ cũng thể hiện nhiều cấu trúc luyện kim ở mức độ từ trung bình đến cao, bao gồm cả delta ferrite. Tinh thể ferrite được cho là làm giảm khả năng chống ăn mòn, mặc dù chúng có thể chỉ hiện diện với tỷ lệ nhỏ từ 1–5%.
Ferrite cũng không có khả năng chống ăn mòn tốt như cấu trúc tinh thể austenit, do đó nó sẽ bị ăn mòn ưu tiên hơn. Có thể phát hiện ferrite một cách chính xác bằng đầu dò ferrite và bán chính xác bằng nam châm, nhưng vẫn có những hạn chế đáng kể.
Từ khâu thiết lập hệ thống, vận hành thử ban đầu, cho đến khi khởi động máy phát điện CS mới và hệ thống đường ống phân phối, có một số yếu tố góp phần gây ra hiện tượng ăn mòn:
Theo thời gian, các yếu tố ăn mòn như vậy có thể tạo ra các sản phẩm ăn mòn khi chúng tiếp xúc, kết hợp và chồng chéo với hỗn hợp sắt và các hợp chất chứa sắt khác. Muội than đen thường xuất hiện đầu tiên trong máy phát điện, sau đó lan ra đường ống xả của máy phát điện và cuối cùng là toàn bộ hệ thống phân phối CS.
Phân tích SEM được thực hiện để làm rõ cấu trúc vi mô của các sản phẩm phụ ăn mòn bao phủ toàn bộ bề mặt bằng tinh thể và các hạt khác. Nền hoặc bề mặt bên dưới nơi tìm thấy các hạt này thay đổi từ các loại sắt khác nhau (Hình 1-3) đến các mẫu thông thường, cụ thể là silica/sắt, dạng cát, dạng thủy tinh, các cặn đồng nhất (Hình 4). Ống thổi bẫy hơi cũng được phân tích (Hình 5-6).
Kiểm tra AES là một phương pháp phân tích được sử dụng để xác định thành phần hóa học bề mặt của thép không gỉ và chẩn đoán khả năng chống ăn mòn của nó. Nó cũng cho thấy sự suy giảm của lớp màng thụ động và sự giảm nồng độ crom trong lớp màng thụ động khi bề mặt bị ăn mòn.
Để xác định thành phần nguyên tố trên bề mặt của từng mẫu, người ta đã sử dụng phương pháp quét AES (phân tích nồng độ các nguyên tố trên bề mặt theo chiều sâu).
Mỗi vị trí được sử dụng để phân tích và tăng cường dữ liệu SEM đều được lựa chọn cẩn thận nhằm cung cấp thông tin từ các vùng điển hình. Mỗi nghiên cứu cung cấp thông tin từ một vài lớp phân tử trên cùng (ước tính khoảng 10 angstrom [Å] mỗi lớp) đến độ sâu của hợp kim kim loại (200–1000 Å).
Hàm lượng đáng kể sắt (Fe), crom (Cr), niken (Ni), oxy (O) và carbon (C) đã được ghi nhận ở tất cả các khu vực của Rouge. Dữ liệu và kết quả AES được trình bày chi tiết trong phần nghiên cứu trường hợp.
Kết quả AES tổng thể đối với các điều kiện ban đầu cho thấy quá trình oxy hóa mạnh xảy ra trên các mẫu có nồng độ Fe và O (oxit sắt) cao bất thường và hàm lượng Cr thấp trên bề mặt. Lớp cặn màu đỏ này dẫn đến việc giải phóng các hạt có thể gây ô nhiễm sản phẩm và các bề mặt tiếp xúc với sản phẩm.
Sau khi loại bỏ lớp màng bảo vệ, các mẫu đã được "thụ động hóa" cho thấy sự phục hồi hoàn toàn của lớp màng thụ động, với nồng độ Cr đạt mức cao hơn Fe, tỷ lệ bề mặt Cr:Fe nằm trong khoảng từ 1,0 đến 2,0 và nhìn chung không có oxit sắt.
Nhiều bề mặt gồ ghề khác nhau đã được phân tích bằng XPS/ESCA để so sánh nồng độ nguyên tố và trạng thái oxy hóa quang phổ của Fe, Cr, lưu huỳnh (S), canxi (Ca), natri (Na), phốt pho (P), nitơ (N), O và C (bảng A).
Có sự khác biệt rõ rệt về hàm lượng Cr, từ các giá trị gần lớp thụ động hóa đến các giá trị thấp hơn thường thấy trong hợp kim cơ bản. Mức độ sắt và crom được tìm thấy trên bề mặt thể hiện độ dày và cấp độ khác nhau của các lớp cặn bẩn. Các thử nghiệm XPS đã cho thấy sự gia tăng Na, C hoặc Ca trên các bề mặt gồ ghề so với các bề mặt đã được làm sạch và thụ động hóa.
Thử nghiệm XPS cũng cho thấy hàm lượng C cao trong sắt đỏ (đen) cũng như Fe(x)O(y) (oxit sắt) trong sắt đỏ. Dữ liệu XPS không hữu ích cho việc hiểu các thay đổi bề mặt trong quá trình ăn mòn vì nó đánh giá cả kim loại sắt đỏ và kim loại nền. Cần tiến hành thêm các thử nghiệm XPS với mẫu lớn hơn để đánh giá kết quả một cách chính xác.
Các tác giả trước đây cũng gặp khó khăn trong việc đánh giá dữ liệu XPS. 10 Quan sát thực địa trong quá trình loại bỏ cho thấy hàm lượng carbon cao và thường được loại bỏ bằng phương pháp lọc trong quá trình xử lý. Ảnh SEM chụp trước và sau khi xử lý loại bỏ nếp nhăn minh họa sự hư hại bề mặt do các chất lắng đọng này gây ra, bao gồm rỗ và độ xốp, ảnh hưởng trực tiếp đến sự ăn mòn.
Kết quả XPS sau quá trình thụ động hóa cho thấy tỷ lệ hàm lượng Cr:Fe trên bề mặt cao hơn nhiều khi lớp màng thụ động được tái tạo, nhờ đó làm giảm tốc độ ăn mòn và các tác động bất lợi khác lên bề mặt.
Các mẫu thử cho thấy tỷ lệ Cr:Fe tăng đáng kể giữa bề mặt "nguyên trạng" và bề mặt được thụ động hóa. Tỷ lệ Cr:Fe ban đầu được kiểm tra trong khoảng từ 0,6 đến 1,0, trong khi tỷ lệ thụ động hóa sau xử lý nằm trong khoảng từ 1,0 đến 2,5. Giá trị đối với thép không gỉ được đánh bóng điện hóa và thụ động hóa nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5.
Trong các mẫu được xử lý hậu kỳ, độ sâu tối đa của tỷ lệ Cr:Fe (được xác định bằng AES) dao động từ 3 đến 16 Å. Chúng tương đồng với dữ liệu từ các nghiên cứu trước đây được công bố bởi Coleman2 và Roll. 9 Bề mặt của tất cả các mẫu đều có hàm lượng Fe, Ni, O, Cr và C ở mức tiêu chuẩn. Hàm lượng thấp của P, Cl, S, N, Ca và Na cũng được tìm thấy trong hầu hết các mẫu.
Những cặn bẩn này thường thấy ở các chất tẩy rửa hóa học, nước tinh khiết hoặc quá trình điện phân đánh bóng. Sau khi phân tích kỹ hơn, người ta phát hiện một số tạp chất silicon trên bề mặt và ở các mức độ khác nhau của tinh thể austenit. Nguồn gốc dường như là hàm lượng silica trong nước/hơi nước, các chất đánh bóng cơ học, hoặc kính quan sát bị hòa tan hoặc ăn mòn trong buồng tạo CS.
Các sản phẩm ăn mòn được tìm thấy trong hệ thống CS được báo cáo là rất đa dạng. Điều này là do điều kiện hoạt động khác nhau của các hệ thống này và vị trí lắp đặt của các thành phần khác nhau như van, bẫy và các phụ kiện khác có thể dẫn đến điều kiện ăn mòn và tạo ra các sản phẩm ăn mòn.
Ngoài ra, các bộ phận thay thế thường được đưa vào hệ thống mà không được xử lý thụ động đúng cách. Sản phẩm ăn mòn cũng bị ảnh hưởng đáng kể bởi thiết kế của máy phát CS và chất lượng nước. Một số loại máy phát là loại có nồi hơi tái sôi, trong khi những loại khác là loại có ống tách hơi. Máy phát CS thường sử dụng lưới lọc cuối để loại bỏ hơi ẩm khỏi hơi nước sạch, trong khi các máy phát khác sử dụng vách ngăn hoặc thiết bị tách ly tâm.
Một số loại tạo ra lớp gỉ sắt gần như đặc trong ống phân phối và lớp sắt đỏ bao phủ nó. Khối chắn tạo thành một lớp màng sắt đen với lớp oxit sắt mờ bên dưới và tạo ra hiện tượng bề mặt thứ hai dưới dạng lớp mờ bồ hóng dễ lau chùi hơn.
Thông thường, cặn lắng giống như muội sắt này rõ rệt hơn nhiều so với cặn lắng màu đỏ sắt và dễ di chuyển hơn. Do trạng thái oxy hóa của sắt trong nước ngưng tụ tăng lên, lớp bùn sinh ra trong kênh dẫn nước ngưng tụ ở đáy ống phân phối có lớp bùn oxit sắt nằm trên lớp bùn sắt.
Lớp màng oxit sắt bám trên bề mặt nước sẽ đi qua bộ thu nước ngưng tụ, hiện rõ trong đường ống thoát nước, và lớp trên cùng dễ dàng bị cọ rửa trôi đi. Chất lượng nước đóng vai trò quan trọng trong thành phần hóa học của lớp màng này.
Hàm lượng hydrocarbon cao hơn dẫn đến lượng muội than trong son môi quá nhiều, trong khi hàm lượng silica cao hơn dẫn đến lớp son môi mịn hoặc bóng hơn. Như đã đề cập trước đó, kính quan sát mực nước cũng dễ bị ăn mòn, cho phép các mảnh vụn và silica xâm nhập vào hệ thống.
Súng phun hơi nước là một mối lo ngại trong các hệ thống hơi nước vì có thể hình thành các lớp dày tạo thành các hạt. Những hạt này có mặt trên bề mặt hơi nước hoặc trong thiết bị khử trùng bằng hơi nước. Các phần sau mô tả các tác dụng có thể có của thuốc.
Ảnh SEM hiện trạng trong Hình 7 và 8 cho thấy bản chất vi tinh thể của carmine loại 2 trong trường hợp 1. Một ma trận đặc biệt dày đặc gồm các tinh thể oxit sắt hình thành trên bề mặt dưới dạng cặn mịn. Các bề mặt đã được khử nhiễm và thụ động hóa cho thấy sự hư hại do ăn mòn dẫn đến kết cấu bề mặt thô ráp và hơi xốp như thể hiện trong Hình 9 và 10.
Hình 11 hiển thị ảnh quét NPP cho thấy trạng thái ban đầu của bề mặt với lớp oxit sắt dày trên đó. Bề mặt đã được thụ động hóa và làm sạch (Hình 12) cho thấy lớp màng thụ động hiện có hàm lượng Cr (đường màu đỏ) cao hơn Fe (đường màu đen) ở tỷ lệ Cr:Fe > 1,0. Bề mặt đã được thụ động hóa và làm sạch (Hình 12) cho thấy lớp màng thụ động hiện có hàm lượng Cr (đường màu đỏ) cao hơn Fe (đường màu đen) ở tỷ lệ Cr:Fe > 1,0. Пассивированная и обесточенная поверхность (рис. 12) указывает на то, что пассивная пленка теперь имеет повышенное содержание Cr (красная линия) bằng cách sử dụng Fe (черная линия) bằng cách sử dụng Cr:Fe > 1,0. Bề mặt bị thụ động hóa và mất năng lượng (Hình 12) cho thấy lớp màng thụ động hiện có hàm lượng Cr (đường màu đỏ) cao hơn so với Fe (đường màu đen) ở tỷ lệ Cr:Fe > 1,0.钝化和去皱表面（图12)表明,钝化膜现在的Cr（红线）含量高于Fe(黑线),Cr:Fe 比率> 1.0。 Cr(红线)含量高于Fe(黑线),Cr:Fe 比率> 1,0。 Пассивированная и морщинистая поверхность (рис. 12) показывает, что пассивированная пленка теперь имеет более высокое содержание Cr (красная линия), чем Fe (черная линия), при соотношении Cr:Fe > 1,0. Bề mặt bị thụ động hóa và nhăn nheo (Hình 12) cho thấy lớp màng thụ động hóa hiện có hàm lượng Cr (đường màu đỏ) cao hơn Fe (đường màu đen) ở tỷ lệ Cr:Fe > 1,0.
Một lớp màng oxit crom thụ động mỏng hơn (< 80 Å) có khả năng bảo vệ tốt hơn so với một lớp màng oxit sắt tinh thể dày hàng trăm angstrom từ kim loại nền và lớp vảy có hàm lượng sắt trên 65%.
Thành phần hóa học của bề mặt bị thụ động hóa và nhăn nheo hiện nay tương đương với vật liệu được đánh bóng và thụ động hóa. Lớp cặn trong trường hợp 1 là cặn loại 2 có khả năng hình thành tại chỗ; khi tích tụ, các hạt lớn hơn được hình thành và di chuyển theo hơi nước.
Trong trường hợp này, sự ăn mòn được thể hiện sẽ không dẫn đến các khuyết tật nghiêm trọng hoặc làm giảm chất lượng bề mặt. Các nếp nhăn thông thường sẽ làm giảm tác động ăn mòn lên bề mặt và loại bỏ khả năng di chuyển mạnh của các hạt có thể nhìn thấy được.
Trong Hình 11, kết quả AES cho thấy các lớp dày gần bề mặt có hàm lượng Fe và O cao hơn (500 Å oxit sắt; đường màu xanh lá chanh và xanh lam tương ứng), chuyển dần sang mức độ pha tạp của Fe, Ni, Cr và O. Nồng độ Fe (đường màu xanh lam) cao hơn nhiều so với bất kỳ kim loại nào khác, tăng từ 35% ở bề mặt lên hơn 65% trong hợp kim.
Trên bề mặt, mức độ O (đường màu xanh lá nhạt) giảm từ gần 50% trong hợp kim xuống gần bằng 0 ở độ dày màng oxit hơn 700 Å. Nồng độ Ni (đường màu xanh đậm) và Cr (đường màu đỏ) cực kỳ thấp ở bề mặt (< 4%) và tăng lên mức bình thường (lần lượt là 11% và 17%) ở độ sâu của hợp kim. Nồng độ Ni (đường màu xanh đậm) và Cr (đường màu đỏ) cực kỳ thấp ở bề mặt (< 4%) và tăng lên mức bình thường (lần lượt là 11% và 17%) ở độ sâu của hợp kim. Уровни Ni (темно-зеленая линия) và Cr (красная линия) чрезвычайно низки на поверхности (<4%) và увеличиваются до нормального уровня (11% và 17% соответственно) và глубине сплава. Hàm lượng Ni (đường màu xanh đậm) và Cr (đường màu đỏ) cực kỳ thấp ở bề mặt (<4%) và tăng lên mức bình thường (lần lượt là 11% và 17%) ở sâu bên trong hợp kim.表面的Ni(深绿线)和Cr(红线)水平极低（< 4%),而在合金深度处增加到正常水平（分别为11%和17%)。表面的Ni（深绿线）和Cr（红线）水平极低（< 4%)，而在合金深度处增加到歌常水平（分别咺11% Уровни Ni (темно-зеленая линия) và Cr (красная линия) на поверхности чрезвычайно низки (<4%) và увеличиваются до không có gì đáng chú ý ở глубине tỷ lệ cược (11% và 17% tỷ lệ ủng hộ). Nồng độ Ni (đường màu xanh đậm) và Cr (đường màu đỏ) ở bề mặt cực kỳ thấp (<4%) và tăng lên mức bình thường ở sâu bên trong hợp kim (lần lượt là 11% và 17%).
Hình ảnh AES trong hình 12 cho thấy lớp gỉ (oxit sắt) đã được loại bỏ và lớp màng thụ động đã được phục hồi. Trong lớp sơ cấp 15 Å, mức Cr (đường màu đỏ) cao hơn mức Fe (đường màu đen), đó là một lớp màng thụ động. Ban đầu, hàm lượng Ni trên bề mặt là 9%, tăng lên 60–70 Å phía trên mức Cr (± 16%), và sau đó tăng lên đến mức hợp kim 200 Å.
Bắt đầu từ 2%, nồng độ carbon (đường màu xanh) giảm xuống bằng 0 ở khoảng cách 30 Å. Nồng độ Fe ban đầu thấp (< 15%) và sau đó bằng với nồng độ Cr ở 15 Å, rồi tiếp tục tăng lên mức hợp kim hơn 65% ở 150 Å. Nồng độ Fe ban đầu thấp (< 15%) và sau đó bằng với nồng độ Cr ở 15 Å, rồi tiếp tục tăng lên mức hợp kim hơn 65% ở 150 Å. Уровень Fe вначале низкий (< 15%), позже равен уровню Cr при 15 Å và продолжает увеличиваться до уровня сплава 65% đến 150 Å. Nồng độ Fe ban đầu thấp (< 15%), sau đó bằng với nồng độ Cr ở 15 Å và tiếp tục tăng lên mức hợp kim trên 65% ở 150 Å. Fe 含量最初很低(< 15%),后来在15 Å 时等于Cr 含量，并在150 Å 时继续增加到超过65%的合金含量。 Fe 含量最初很低(< 15%),后来在15 Å 时等于Cr 含量，并在150 Å 时继续增加到超过65%的合金含量。 Содержание Fe изначально низкое (< 15 %), позже оно равняется содержанию Cr при 15 Å và продолжает увеличиваться до содержания сплава 65 % ở 150 Å. Hàm lượng Fe ban đầu thấp (< 15%), sau đó bằng với hàm lượng Cr ở 15 Å và tiếp tục tăng cho đến khi hàm lượng hợp kim vượt quá 65% ở 150 Å.Nồng độ Cr tăng lên 25% bề mặt ở độ phân giải 30 Å và giảm xuống 17% trong hợp kim.
Nồng độ O cao gần bề mặt (đường màu xanh lá nhạt) giảm xuống bằng không sau độ sâu 120 Å. Phân tích này cho thấy một lớp màng thụ động hóa bề mặt phát triển tốt. Ảnh SEM trong hình 13 và 14 cho thấy bản chất tinh thể thô ráp, sần sùi và xốp của lớp oxit sắt thứ nhất và thứ hai trên bề mặt. Bề mặt nhăn nheo cho thấy tác động của sự ăn mòn trên bề mặt thô ráp bị rỗ một phần (Hình 18-19).
Các bề mặt bị thụ động hóa và nhăn nheo như trong hình 13 và 14 không chịu được quá trình oxy hóa mạnh. Hình 15 và 16 cho thấy lớp màng thụ động hóa đã được phục hồi trên bề mặt kim loại.