Рызыкі гальванічнай карозіі пры змяшанні фланцаў супердуплекснай сталі і вугляродзістай сталі: 5 змен у канструкцыі для выключэння біметалічнай карозіі

Рызыкі гальванічнай карозіі пры змяшанні фланцаў супердуплекснай сталі і вугляродзістай сталі: 5 змен у канструкцыі для выключэння біметалічнай карозіі

У вас ёсць труба з супердуплекснай нержавеючай сталі (напрыклад, 2507) — выдатная стойкасць да карозіі, высокая міцнасць, ідэальна падыходзіць для эксплуатацыі ў марскай вадзе або ў агрэсіўных сераводародных сярэдзінах. Але ў некаторы момант вам неабходна падлучыць яе да фланца з вугляродзістай сталі, напрыклад, да штуцэра насоса, падлучэння да рэзервуара ці пераходу да калектара з вугляродзістай сталі.

Гэта збіраны на болтах стык выглядае бездапытным. Але вы толькі што стварылі галванічны элемент — і калі вы не спраектуеце яго правільна, фланец з вугляродзістай сталі будзе хутка раз’едацца, часта менавіта ў зоне ўшчыльнення прокладкі або пад галоўкамі болтаў.

Гальванічная карозія (біметалічная карозія) узнікае, калі два розных метала злучаны электрычна ў правадзячым электроліце (марской вадзе, бразавай вадзе ці нават увільгатненай прамысловай атмасферы). Менш шляхетны метал (вугляродная сталь) становіцца анодам і кародзіцца прыярытэтна — часам у 10–100 разоў хутчэй, чым самастойна.

Супердуплекс і вугляродная сталь знаходзяцца вельмі далёка адзін ад аднаго ў гальванічным шэрагу. Аднак гэту камбінацыю можна выкарыстоўваць бяспечна, калі выканаць пяць даказаных канструкцыйных зменаў. У гэтай артыкуле тлумачыцца рызыка і дакладна апісваецца, як яе ліквідаваць.

1. Гальванічны шэраг: чаму супердуплекс і вугляродная сталь — небяспечная пара

Гальванічны шэраг ранжыруе метала па іх электрахімічным патэнцыяле ў марской вадзе. Металы ў верхняй частцы шэрагу (анодныя, менш шляхетныя) кародзяцца; метала ў ніжняй частцы (катодныя, больш шляхетныя) захоўваюцца.

Прыблізныя гальванічныя патэнцыялы ў марской вадзе (адносна электрада спасылкі Ag/AgCl):

Трубы рэзня паміж вугляроднай сталью і супердуплексам складае прыкладна 400–500 мВ . Гэта вялікая розніца — дастатковая для выклікання інтэнсіўнай гальванічнай карозіі, асабліва ў электралітах з высокай праваднасцю, такіх як морская вада (праваднасць ~50 мС/см).

Калі гэтыя два метала непасрэдна злучаны — напрыклад, фланец з вугляроднай сталі прымацаваны да труба з супердуплексу — вугляродная сталь становіцца анодам і будзе кародзіцца пераважна. Атака часта лакалізуецца ўздоўж лініі злучэння, пад прокладкамі ці ў пунктах кантакту з болтамі.

Прыклад з рэальнага жыцця: У сістэме ахалоджвання морскай вадой выкарыстоўваліся трубы з супердуплексу 2507 з фланцамі з вугляроднай сталі з адзежай (пакрыццём). Усяго за шэсць месяцаў фланцы з вугляроднай сталі пад прокладкай падвергліся сур’ёзнай жалобавай карозіі, а болты былі замкнуты ржавінай. Супердуплекс заставаўся ў ідэальным стане — што і з’яўляецца сапраўднай праблемай.

2. Сапраўдны кошт гальванічнай карозіі ў фланцавых злучэннях

Гальванічная карозія ў фланцаў не выклікае раўнамернага таншэння — яна выклікае лакалізаваную, паскораную атаку на невялікіх анодных участках. Гэта найгоршы выпадак, бо хуткасць карозіі можа быць надзвычай высокай (10–50 мм/год).

Тыпавыя патэрні адмовы:

• Падшыпнікавая канавачка – Паверхня фланца з вугляродзістай сталі кародуе прыярытэтна пад прокладкай, што парушае ўшчыльненне і выклікае пракачку.

• Кантакт галоўкі болта і гайкі – Болты з вугляродзістай сталі (калі выкарыстоўваюцца) хутка кародуюць у месцы кантакту з фланцам супердуплекснай сталі.

• Зоны пераходу зваркі – Калі труба з вугляродзістай сталі зварваецца непасрэдна з фланцам супердуплекснай сталі (гэта не рэкамендуецца), зона, якая пацярпела ад цяпла, можа стаць аноднай.

• Шчыліна пад фланцам – Застойная марская вада або вільгаць, якая засталася паміж паверхнямі фланцаў, паскаршае каразійную атаку.

Вынік: незапланаваныя спыны, замена фланцаў і магчымыя праблемы з бяспекай (праток ціскавых вадкасцей). Адзін толькі адмова фланца ў крытычнай лініі можа абысці ў $50 000–200 000 у выглядзе страт ад спыну вытворчасці і рамонту.

3. Змяненне канструкцыі №1: электрычная ізаляцыя пары фланцаў

Найбольш эфектыўны спосаб спыніць гальванічную карозію — гэта разарваць электрычны ланцуг паміж двума металаў. Калі ток не можа працякаць, гальванічная карозія не ўзнікае.

Як гэта зрабіць:

• Комплект ізаляцыйных прокладак — Выкарыстоўвайце поўна-паверхневую або кальцавую прокладку з неправоднага матэрыялу (напр., ПТФЭ, G10/FR4 або феноліт). Гэта забяспечвае ізаляцыю паверхняў фланцаў.

• Ізаляцыйныя втулкі і шайбы для болтаў — Кожны болт праходзіць праз пластыковую втулку (напр., нейлонавую або поліамідную), якая ізалюе болт ад фланца супер-дуплекснай сталі. Ізаляцыйныя шайбы (верхняя і ніжняя) прадухоўваюць кантакт болта/гаекі з абодвума фланцамі.

• Дыялектрычны камплект для ізаляцыі фланца – Камерцыйныя камплекты (напрыклад, PSI, Advance Products) уключаюць прокладку, втулкі і шайбы, якія маюць рэйтынг па ціску і тэмпературы.

Важна: Ізаляцыя працуе толькі ў тым выпадку, калі усе электрычныя кантакты перарваны. Пераканайцеся, што:

• Балтовыя втулкі пракладзены на ўсю даўжыню адтуліны пад болт.

• Шайбы забяспечваюць ізаляцыю як гайкі, так і галоўкі болта.

• Няма металічных пракладак, болтаў або прылад, якія абходзяць ізаляцыю.

Абмежаванне: Ізаляцыя таксама перашкаджае току катаднай абароны дасягаць фланца з вугляродзістай сталі. Калі фланец з вугляродзістай сталі ўжо ізаляваны, ён можа кародзіцца ў звычайным рэжыме (не гальванічна) — але гэта дапушчальна, калі навакольнае асяроддзе не агрэсіўнае. У экстрэмальных умовах эксплуатацыі можа спатрэбіцца абаронная афарбоўка замест ізаляцыі.

4. Змена праекту № 2: Поўнае афарбоўванне фланца з вугляродзістай сталі

Калі вы не можаце ізаляваць (напрыклад, патрабуецца электрычная злучнасць для зазямлення або катадычнай абароны), тады пакрыйце фланец з вугляродзістай сталі каб зменшыць яго эфектыўную адкрытую плошчу. Шчыльнасць гальванічнага току прапарцыянальная стасунку плошчы катода да плошчы анода. Пакрываючы анод (вугляродзістую сталь), вы рэзка зменшваеце патрэбу ў току.

Патрабаванні да пакрыцця пры гальванічнай абароне:

• Поўная інкапсуляцыя – Пакрыцце павінна ахопліваць усе змочаныя паверхні фланца з вугляродзістай сталі: паверхню фланца, ступіцу, адтуліны пад болты і нават зону кантакту з прокладкай (але трэба ўважліва ставіцца да герметычнасці прокладкі).

• Высокая дыэлектрычная міцнасць – Пакрыцце павінна быць неправодным і дастаткова тоўстым, каб прадухіліць утварэнне шчылін.

• Добры злёп – Эпоксіднае пакрыцце з фузійным злучэннем (FBE), вадкасць эпоксіднае пакрыцце або паліурэтанавае пакрыцце. Фарбы, нанесеныя на месцы ўжывання, менш надзейныя, бо падчас пашкоджанняў (напрыклад, падчас цярцення) адкрываецца паверхня вугляродзістай сталі.

Рэкамендаваныя сістэмы пакрыцця:

• Эпоксіднае пакрыцце, нанесенае ў стане расплаўлення (FBE) – 300–500 мікрона, наносіцца на заводзе. Найлепш падыходзіць для новых фланцаў.

• Растворнае эпоксіднае пакрыцце (двухкампанэнтнае) – 400–600 мікрона, наносіцца ў два слоі. Можа быць нанесена на аб’екты пры ідэальным падрыхтоўцы паверхні (абладзенне да ступені SA 2.5).

• Абкладка з ПТФЭ або ПФА – Для вельмі агрэсіўных умоў (напрыклад, гарачая марская вада, кіслоты). Дарагое, але выключае прамы кантакт.

Ключавы нюанс: Зону ўстаноўкі прокладкі трэба замаскаваць або апрацаваць асобна — пакрыцці могуць сплюснуцца або палзнуць пад уздзеяннем балтовага нагрузкі. Выкарыстоўвайце фланец з пакрыццём і аддзельную прокладку або вызначце фланец з металічнай павышанай плоскасцю, якая застаецца непакрытай, але электрычна ізаляванай ад супердуплекснай сталі праз прокладку.

Эфектыўнасць: Добра абалонаваны фланец з вугляродзістай сталі можа знізіць гальванічную карозію на 90–99%. Аднак любая падрыўка ці пашкоджанне абалонкі становіцца невялікім анодам, акружаным вялікім катодам (супердуплекс), што прыводзіць да хуткага пітінгу. Самае гэта тлумачыць, чаму абалонкаванне сама па сабе менш надзейнае ў параўнанні з ізаляцыяй.

5. Змяненне канструкцыі №3: выкарыстанне няметалічнага або ізаляцыйнага прокладкі з вялікай адлегласцю для палзання

Сама прокладка можа як спрыяць, так і перашкоджаць. Правадзячая прокладка (напрыклад, спіральная з віткамі з вугляродзістай сталі) стварае прамы электрычны шлях. Неправадзячая прокладка разрывае электрычны ланцуг.

Лепшыя матэрыялы для прокладак біметалічных фланцаў:

• Абалонка з ПТФЭ або цвёрды ПТФЭ — Выдатны ізалятар, стойкі да хімічных рэчываў. Прымяняецца пры памераных цісках і тэмпературах.

• Гнуткі графіт з пакрыццём з слюды або ПТФЭ — З’яўляецца правадзячым, калі голы графіт кантактуе з металам. Неабходна замовіць версіі з ізаляцыяй або пакрыццём.

• Кампрэсаванае валокна без азбесту (напрыклад, серыя Garlock 3000) – Сярэдні ізалятар, але можа ўбіраць вільготу і з часам стаць правадніком. Не рэкамендуецца для доўгатэрміновага пагружэння.

• Эпоксідныя смолы, напоўненыя ПТФЭ або шклоўкай (G10, FR4) – Жорсткі матэрыял з высокай ступенню кампрэсійнай міцнасці, выдатны ізалятар. Выкарыстоўваецца ў кітах для ізаляцыі.

Шлях паўзання (шлях уцёку): Пераканайцеся, што прокладка выступае за кола болтаў і не мае правадных участкаў. У кітах для ізаляцыі прокладка часта закрывае ўсю паверхню фланца (поўная паверхня), каб прадухіліць даступ электраліту да адваротных адтулін.

Парарада па ўстаноўцы: Ніколі не выкарыстоўвайце антыпрыліпальныя сродкі на аснове графіту або з уключэннем металаў на прокладцы ці паверхнях фланца. Графіт з’яўляецца правадніком і можа стварыць гальванічны маст.

6. Змена праекту № 4: Аптымізацыя геаметрыі фланца — павялічэнне памера анода

У гальванічнай пары хуткасць карозіі анода прапарцыянальная стасунку плошча катода да плошчы анода калі катод (супердуплекс) значна большы за анод (вугляродыстая сталь), ток канцэнтруецца на маленькім анодзе, выклікаючы хуткую карозію.

Каб змяншыць хуткасць карозіі, павялічыць плошчу анода або зменшыць плошчу катода .

Практычныя спосабы:

• Выкарыстоўваць фланец з вугляродыстай сталі, які мае большую таўшчыню або большую прывадную паверхню – Гэта павялічвае адкрытую плошчу анода, зменшваючы шчыльнасць току. Аднак большыя фланцы могуць быць непрактычнымі.

• Зменшыць вільготную плошчу фланца супердуплекса – Пакрыць ступіцу і заднюю паверхню фланца супердуплекса абаронным пакрыццем, застаўшы адкрытым толькі ўчастак кантакту з прокладкай. Гэта зменшвае плошчу катода. (Пакрыцце супердуплекса праводзіцца не для яго абароны — яно патрэбнае, каб зменшыць паверхню катода.)

• Дадаць жэртвенны цынкавы анод прымацаваны да фланца з вугляродзістай сталі — гэта «пераважвае» гальванічную пару, робячы цынк анодам замест вугляродзістай сталі. Але гэта складана і рэдка выконваецца для фланцаў.

Прасцейшы падыход: Выкарыстоўвайце ізаляцыю замест кантролю суадносін плошчаў. Але калі ізаляцыя немагчымая, афарбаванне вугляродзістай сталі (анода) эфектыўна зменшвае яе актыўную плошчу — што супярэчыць мэце, бо меншы анод кародуе хутчэй. Чакайце, гэта нюанс: афарбаванне вугляродзістай сталі зменшвае плошчу адкрытага анода, што павялічвае шчыльнасць току на любых застаўшыхся незахаваных участках, што прыводзіць да пітінгу. Таму толькі афарбаванне можа быць шкодным, калі не з’яўляецца на 100% ідэальным.

Лепшы падыход: Афарбіце супердуплекс (катод), каб зменшыць яго змочаную плошчу. Гэта напрамую зменшвае рухавую сілу, бо плошча катода абмежавана. Вугляродзістая сталь застаецца незахаванай, але абаронена, бо гальванічны ток нізкі. Гэта супярэчыць інтуіцыі, але эфектыўна.

Рэкамендуецца: Спачатку ізалявайце. Калі ізаляцыя не ўдаецца, нанясіце пакрыццё на тваравую паверхню фланца супердуплекснай сталі (акрамя ўчастка ўшчыльнення прокладкі) і пакіньце вугляродзістую сталь аголенай або таксама нанясіце на яе пакрыццё.

7. Змена праекту № 5: Кантроль электраліту – Трымайце яго сухім або выкарыстоўвайце інгібітары

Гальванічная карозія патрабуе электраліту – вады, марскай вады, кандэнсату ці нават высокай вільготнасці. Калі вы можаце трымаць фланцавае злучэнне сухім , ток не будзе цячы.

Практычныя метады:

• Выкарыстоўвайце крывячок або шчыт для фланца – Пластыковыя або гумовыя капачкі, якія абараняюць злучэнне ад дажджу, мыйкі або марскай брызгі. Проста і танна.

• Нанясіце інгібітар карозіі, які выціскае ваду – Пакрыцці на аснове ланоліну або воску (напр., LPS, CorrosionX) на знешнюю паверхню фланца. Не прымяняецца для унутраных паверхняў, якія змачаюцца вадой.

• Запоўніце кальцавы прамежак дыэлектрычнай сметай – Для фланцаў з болтамі запаўніце адтуліны пад болты і прамежак паміж плоскасцямі фланцаў сіліконавай дыэлектрычнай сметай. Гэта выключае пранікненне вільгаці і забяспечвае электрычную ізаляцыю.

• Выкарыстоўвайце сухі азот для прагану – Для замкнутых сістэм падтрымлівайце вобласць вакол фланца сухой, але гэта рэдка магчыма для фланцаў, размешчаных на адкрытым паветры.

Абмежаванне: Гэтыя заходы эфектыўныя пры экспазіцыі ў атмасферных умовах ці ў зоне брызгаў, але не пры падводным размяшчэнні ці пры пастаянным змачванні ўнутранай паверхні. Калі вадкасць унутры правадзіць ток (напр., марская вада), гальванічная пара актыўная незалежна ад знешняй сухасці.

Для ўнутранага патоку: Неабходна ажыццявіць ізаляцыю ці нанесці пакрыццё. Знешнія заходы дапамагаюць толькі пры знешняй карозіі.

8. Зводная табліца: Якая змена канструкцыі для якой эксплуатацыйнай умовы?

9. Кантрольны спіс закупак і ўстаноўкі біметалічных фланцавых злучэнняў

Калі неабходна злучыць трубаправод з супердуплекснай сталі з фланцам з вугляроднай сталі, патрабуйце наступныя элементы:

Закупка:

• Дыялектрычны камплект для ізаляцыі фланца раслітаваныя па ціску/тэмпературы і сумяшчальнасці з рэчывам.

• Ізаляцыйныя гайковыя кавалкі — даўжыня дакладна адпавядае таўшчыні фланца.

• Ізаляцыйныя шайбы — адна пад кожную галоўку болта, адна пад кожную гайку.

• Неправодзячая прокладка – ПТФЭ, G10 або феналік. Не спіральныя з металічнымі віткамі.

• Фланец з вугляродыстай сталі з заводскім пакрыццём (FBE або вадка эпоксідная фарба), калі ізаляцыя не можа быць выкарыстана.

• Фланец супердуплекс – стандартны (асаблівае пакрыцце не патрабуецца пры ўмове ізаляцыі).

Установка:

• Ачысціце ўсе паверхні фланцаў — выдаліце заусенцы, ржавчыну і забруджванні.

• Устаўце ізаляцыйныя гільзы ў адтуліны для болтаў — пераканайцеся, што яны не сплюшчаныя.

• Устаўце неправодзячую прокладку — асцярожна цэнтруйце яе.

• Збярыце болты з ізаляцыйнымі шайбамі — зверху і знізу.

• Момант абарачэння да зададзенай велічыні — не перацягвайце, каб не пашкодзіць укладкі.

• Пасля затугі праверце электрычную ізаляцыю з дапамогай мультыметра (павінна паказваць >1 МОм паміж фланцамі).

• Нанясіце дыэлектрычную смаўку на адкрытыя канцы болтаў і краі фланцаў (неабавязкова, але карысна).