Ерозионна корозия при транспортиране на суспензии: съгласуване на твърдостта на сплавта с експлоатационния срок на тръбата

Ерозионна корозия при транспортиране на суспензии: съгласуване на твърдостта на сплавта с експлоатационния срок на тръбата

При транспортирането на суспензии — независимо дали става въпрос за концентрати на руда, минни отпадъци или химични технологични суспензии — тръбите умират двойна смърт. Те се подлагат едновременно на механично абразивно износване от твърди частици и електрохимично разтваряне от транспортиращата течност.

При избора на материали за тръбопровод за суспензии често се изкушаваме да изберем най-твърдия възможен материал. Интуицията ни подсказва, че ако твърдите частици изтриват метал, по-твърдата повърхност ще се противопостави по-ефективно на това изтриване. Въпреки това десетилетия изследвания в областта на ерозионната корозия разкриват един контраинтуитивен факт: В много суспензии корозионната устойчивост е по-важна от твърдостта за удължаване на експлоатационния живот  .

В тази статия се разглежда механизъмът на ерозионно-корозионно разрушаване, мита за твърдостта и начина, по който сплави като Hastelloy C276 се държат, когато суспензията става агресивна.

Проблемът „1 + 1 = 3“: Разбиране на синергията

Ерозионно-корозионното разрушаване не е просто сбор от механичното износване и химичната корозия. Двата механизма взаимодействат, за да предизвикат общо загуба на материал, която е значително по-голяма от тази, която всеки от тях би причинил поотделно. Това се нарича синергичен ефект .

Изследвания върху Hastelloy C276 в корозивни суспензии потвърждават това явление. Проучванията показват, че при определени приложени потенциали общата загуба на материал може да бъде повече от два пъти по-голяма от чистото механично износване  . Това се случва поради следните причини:

1. Корозия, усилваща ерозията: Корозията атакува зърнените граници или селективно разтваря твърда фаза в сплавта. Това ослабва микроструктурата на повърхността, което прави по-лесно твърдите частици да откъснат парчета метал, които иначе биха останали непокътнати.

2. Корозия, усилена от ерозия: Твърдите частици постоянно изтриват защитния пасивен оксиден слой, който осигурява корозионната устойчивост на никеловите сплави. След премахването на този слой оголеният, активен метал се излага на електролита, което предизвиква рязък скок в плътността на корозионния ток. Проучвания са установили, че триенето при плъзгане върху C276 може да увеличи плътността на тока с три порядъка  .

Игнорирането на тази синергия води до значителни недооценки на скоростите на износ.

Мита за твърдостта: Защо неръждаемата стомана може да издържи по-дълго от обикновената стомана

Класическо проучване на материали в суспензии от въглища и вода даде ключово откритие: Установено е, че корозионната устойчивост е по-важна от твърдостта за устойчивостта към износ.  .

Разгледайте два материала:

• Стомана с високо съдържание на въглерод (твърда): Отлична устойчивост на абразивно износване в суха среда. В суспензия обаче всеки удар на частица отстранява ръждавината, а високата скорост на корозия на стоманата осигурява непрекъснато загубване на материал.

• Неръждаема стомана (по-мека, но корозионноустойчива): Въпреки по-голямата си мекота способността ѝ бързо да възстановява пасивния слой минимизира корозионната компонента. Синергичният ефект е потиснат.

Проучването установило, че неръждаемата стомана марка 304 предлага „най-доброто компромисно решение между разходите и производителността“ в среди за подготовка на въглища и надвишава по показатели по-твърди материали като медно-никеловите сплави. .

Този принцип се отнася и за никеловите сплави. Макар C276 обикновено да не се избира поради абразивната ѝ устойчивост (твърдостта ѝ е умерена — около 210 HB), способността ѝ да поддържа пасивен филм в хлоридни и кисели суспензии предотвратява ескалацията на цикъла „корозия-усилена ерозия“. .

Случайно проучване: Сплави в суспензии с висока скорост

Скоростта е множител в системите за суспензии. Връзката между скоростта на износване и скоростта на потока често се изразява като:
Wear Rate = const x vⁿ

В корозивните суспензии стойността на nчесто съответства на корозия, контролирана от масовия пренос на кислород, което означава, че хидродинамичните условия определят скоростта на корозията . При по-високи скорости катодната реакция (възстановяване на кислорода) се ускорява, което води до по-бързо разрушаване на метала.

В изпитания с пясъчни суспензии в солена вода общите скорости на износване варираха от 6 до 25 мм годишно , директно свързани със скоростта . В такива среди въглеродната стомана се разрушава бързо, тъй като продуктите ѝ на корозия не осигуряват никаква защита. Сплавта C276 обаче образува плътна оксидна пленка, която дори при повреда се възстановява незабавно, стига средата да не е прекалено редуцираща.

Кога е необходима "нанасянето на твърд покритие"? Изключенията

Има ограничения за философията „първо корозионна устойчивост“. При суспензии с изключително големи, остри частици, движещи се с висока скорост (напр. суспензии от долен пепел), механичната ерозия може да доминира до такава степен, че да надвиши способността на сплавта да се репасивира.

В тези крайни случаи прилагането на твърди повърхностни сплави чрез методи като HVOF (напръскване с високоскоростно кислородно-горивно пламъче) е ефективно. Скорошни изследвания, сравняващи кобалт-съдържащи (Stellite 6) и никел-съдържащи (Colmonoy 88) покрития, установиха:

• Никел-съдържащите покрития постигнаха по-висока микrotвърдост (601 HV) и подобриха устойчивостта на основния метал срещу износване с 3,21 пъти при условия с долен пепел .

• Обаче производителността зависеше от ъгъла на удар. Дуктилните материали като никеловите сплави претърпяват максимално износване при ниски ъгли на удар (30°), докато крехките материали се износват повече при стръмни ъгли (60°) .

Това подчертава ключовия момент на вземане на решение: ако облицовате завой в тръба (където ъглите на удар са малки, а ерозията е силна), може да се наложи твърдо, жертвено покритие. Ако сте загрижени за обща намаляване на дебелината на стената в прав участък на тръба, транспортираща солена суспензия, цялостен корозионноустойчив сплав като C276 ще има по-добра производителност от твърда въглеродна стомана.

Практически насоки за избор на тръби за суспензии

1. Първо характеризирайте суспензията

• Ъгловост на частиците: Закръгленият пясък е по-малко агресивен от острия, фрактуриран руден материал.

• Скорост: Над критичния праг (обикновено 3–5 м/с) компонентът на корозията рязко нараства.

• Химия: Носещата течност е сладка вода (ниска корозивност) или разтвор на сол/кисела технологична вода (висока корозивност)?

2. Приложете проверката за „синергия“

Задайте си въпроса: какво ще се случи, ако използваме високопрочна стомана, когато пасивният слой (ръжда) бъде премахнат? Ако отговорът е „бързо и локализирано нападение“, по-безопасен избор е сплав с вродена корозионна устойчивост (като C276).

3. Разгледайте двойни решения

• Твърд C276: Идеален за агресивни химични суспензии, при които корозията е основният фактор, а скоростите са умерени.

• Тръби от C276 с облицовка или с вградена подложка: За изключително абразивни суспензии с корозивен компонент предлага се икономически ефективно решение: тръба от въглеродна стомана за структурна здравина, облицована с тънък слой C276 за корозионна устойчивост. Стоманата поема налягането, а C276 предотвратява синергичния ефект.

• Нанасяне на твърда повърхност: За локализирани области с високо износване (завои, тройници) се препоръчват никелови покрития, нанесени чрез HVOF върху корозионноустойчива подложка. .

Заключение: Избор на материала според механизма на разрушение

Уравнението „твърдост = дълголетие“ не е приложимо за тръбопроводи за суспензии, тъй като пренебрегва електрохимичните процеси. Синергичният ефект между ерозия и корозия означава, че способността на материала да поддържа пасивен филм често е най-важното му качество.

Hastelloy C276, благодарение на високата си стойност на PREN и бързите си характеристики на репасивация, осигурява надеждна защита срещу корозия ерозионно-корозионната страна на уравнението чрез контролиране на корозията се предотвратява ускоряването на механичната ерозия.

За най-дългия срок на експлоатация в химически агресивни суспензии първата и най-важна стъпка е подборът на сплав с корозионна устойчивост, съответстваща на химичния състав на течността. Твърдостта е само втората линия на защита.