Рискове от галванична корозия при комбиниране на фланци от супердуплексна и въглеродна стомана: 5 конструктивни промени за елиминиране на биметална атака

Рискове от галванична корозия при комбиниране на фланци от супердуплексна и въглеродна стомана: 5 конструктивни промени за елиминиране на биметална атака

Имате тръба от супердуплексна неръждаема стомана (напр. 2507) – отлична корозионна устойчивост, висока якост, идеална за морска вода или среда с високо съдържание на сероводород. Но в някакъв момент трябва да я свържете с фланец от въглеродна стомана, например към входа на помпа, към съединение с резервоар или при преход към колектор от въглеродна стомана.

Това болтово съединение изглежда невинно. Но току-що сте създали една галванична клетка – и ако не я проектирате правилно, фланецът от въглеродна стомана ще се корозира бързо, най-често точно в областта на уплътнителната прокладка или под главите на болтовете.

Галваничната корозия (биметална корозия) възниква, когато два различни метала са електрически свързани в проводящ електролит (морска вода, солено-сладка вода или дори влажни индустриални атмосфери). По-малко благородният метал (въглеродна стомана) става анод и се корозира предимно – понякога 10 до 100 пъти по-бързо, отколкото би се корозирал сам по себе си.

Супердуплексната стомана и въглеродната стомана са значително отдалечени в галваничния ред. Въпреки това тази комбинация може да се използва безопасно, ако се приложат пет доказани конструктивни промени. В тази статия се обяснява рискът и точно как може да се елиминира.

1. Галваничният ред: Защо супердуплексната и въглеродната стомана са опасна двойка

Галваничният ред подрежда металите според техния електрохимичен потенциал в морска вода. Металите в горната част (анодни, по-малко благородни) се корозират; металите в долната част (катодни, по-благородни) са защитени.

Приблизителни галванични потенциали в морска вода (спрямо Ag/AgCl референтен електрод):

The разликата между въглеродна стомана и супер дуплекс е приблизително 400–500 mV . Това е значителна разлика – достатъчно голяма, за да предизвика агресивна галванична корозия, особено в електролити с висока проводимост като морската вода (проводимост ~50 mS/cm).

Когато тези два метала са директно свързани – например фланец от въглеродна стомана, закрепен с болтове към тръба от супер дуплекс, – въглеродната стомана става анод и се корозира предимно. Атаката често е локализирана точно по линията на съединението, под уплътненията или в точките на контакт с болтовете.

Пример от практиката: В система за охлаждане с морска вода са използвани тръби от супер дуплекс 2507 и плъзгащи се фланци от въглеродна стомана (покрити). В рамките на шест месеца фланците от въглеродна стомана са претърпели сериозна канавкова корозия под уплътнението, а болтовете са били заклещени поради ръжда. Супер дуплексът е останал непокътнат – което именно представлява проблема.

2. Реалната цена на галваничната корозия във фланцови съединения

Галваничната корозия във фланци не причинява равномерно изтъняване, а води до локализирана, ускорена атака при малки анодни области. Това е най-лошият случай, тъй като скоростта на корозията може да бъде изключително висока (10–50 мм/година).

Чести модели на повреди:

• Гравиране под уплътнението – Лицето на фланеца от въглеродна стомана се корозира предимно под уплътнението, което нарушава уплътнението и води до течове.

• Контакт между главата на болта и гайката – Болтовете от въглеродна стомана (ако се използват) бързо се корозират в точката на контакт с фланеца от супердуплексна стомана.

• Зони на преход при заваряване – Ако тръба от въглеродна стомана се заварява директно към фланец от супердуплексна стомана (което не се препоръчва), зоната, засегната от топлината, може да стане анодна.

• Цревис под фланеца – Застояла морска вода или влага, задържана между лицата на фланеца, ускоряват корозивното въздействие.

Резултат: непланови спирания, замяна на фланци и потенциални опасности за безопасността (течове под налягане на течности). Единичен отказ на фланец в критична тръбна линия може да струва от 50 000 до 200 000 щ.д. за просто стояне и ремонт.

3. Промяна в конструкцията №1: Електрическо изолиране на двойката фланци

Най-ефективният начин за спиране на галваничната корозия е да се прекъсне електрическата верига между двете метала. Ако не може да протече ток, галваничната корозия не възниква.

Как се прави това:

• Комплект изолиращи уплътнителни пръстени – Използвайте пълнолицев или пръстеновиден уплътнителен пръстен от непроводим материал (напр. ПТФЕ, G10/FR4 или фенолформалдехид). Това изолира повърхностите на фланците.

• Изолиращи ръкави и шайби за болтове – Всеки болт минава през пластмасов ръкав (напр. нейлон или полиамид), който изолира болта от фланеца от супер дуплексна стомана. Изолиращите шайби (отгоре и отдолу) предотвратяват контакт между болта/гайката и двата фланеца.

• Диелектричен комплект за изолация на фланец – Търговските комплекти (напр. PSI, Advance Products) включват уплътнителна прокладка, ръкави и шайби, класифицирани според налягането и температурата.

Важно: Изолацията работи само ако вСИЧКИ електрическите пътища са прекъснати. Уверете се, че:

• Ръкавите за болтове имат пълна дължина, съответстваща на дълбочината на отвора за болт.

• Шайбите изолират както гайката, така и главата на болта.

• Няма метални разстоятелни пръстени, болтове или зонди, които да заобикалят изолацията.

Предпазна мярка: Изолацията също предотвратява тока от катодна защита да достигне до фланеца от въглеродна стомана. Ако фланецът от въглеродна стомана вече е изолиран, той може да се корозира по нормален начин (не галванично) – но това е приемливо, ако средата не е агресивна. При тежки условия на експлоатация може да се наложи нанасяне на защитно покритие вместо изолация.

4. Промяна в конструкцията №2: Пълно покритие на фланеца от въглеродна стомана

Ако не е възможно изолирането (напр. необходима е електрическа проводимост за заземяване или катодна защита), тогава покрийте фланеца от въглеродна стомана със защитно покритие за намаляване на неговата ефективна изложена площ. Плътността на галваничния ток е пропорционална на отношението площ на катода към площ на анода. Като покриете анода (въглеродната стомана), вие рязко намалявате токовата консумация.

Изисквания към покритията за галванична защита:

• Пълно инкапсулиране – Покритието трябва да обхваща всички повърхности на фланеца от въглеродна стомана, които са в контакт с течност: лицевата повърхност на фланеца, хабита, отворите за болтове и дори областта за контакт с уплътнителната прокладка (но с внимание към уплътнящата функция на прокладката).

• Висока диелектрична якост – Покритието трябва да е непроводимо и достатъчно дебело, за да предотврати образуването на иглени пробойни отвори.

• Добра адхезия – Сплавено-свързан епоксиден полимер (FBE), течен епоксиден полимер или полиуретан. Боядисването на място е по-малко надеждно, тъй като драскотините разкриват повърхността на въглеродната стомана.

Препоръчителни системи за покритие:

• Епоксидно покритие с фузионно свързване (FBE) – 300–500 микрона, нанася се в заводски условия. Най-подходящо за нови фланци.

• Течна епоксидна смола (двукомпонентна) – 400–600 микрона, нанася се в два слоя. Може да се прилага на място, ако подготовката на повърхността е идеална (пясъчно обработване SA 2.5).

• Подслой от ПТФЕ или ПФА – За изключително агресивни условия (напр. топла морска вода, киселини). Скъпо, но напълно изключва директния контакт.

Ключов детайл: Повърхността за поставяне на уплътнителния пръстен трябва да бъде защитена с маскиране или специално обработена – покритията могат да се компресират или деформират под болтовото натоварване. Използвайте фланец с покритие и отделен уплътнителен пръстен или посочете фланец с метална издадена повърхност, която остава некачествена, но е електрически изолирана от супердуплексната стомана чрез уплътнителен пръстен.

Ефективност: Добре покритият фланец от въглеродна стомана може да намали галваничната корозия с 90–99 %. Въпреки това всяка драскотина или дефект в покритието се превръща в малък анод, заобиколен от голям катод (супердуплексната стомана), което води до бързо точково разрушаване. Затова само покритието е по-малко надеждно от електрическата изолация.

5. Промяна в дизайна №3: Използване на неметална или изолираща уплътнителна прокладка с голямо разстояние за пълзене

Самата прокладка може както да подпомогне, така и да затрудни. Проводимата прокладка (напр. спирално навита с навивки от въглеродна стомана) създава директен електрически път. Непроводимата прокладка прекъсва веригата.

Най-добрите материали за прокладки при фланци от два различни метала:

• PTFE обвивка или цялостна PTFE прокладка – Отличен изолатор, химически устойчив. Приложим само при умерени налягане и температура.

• Гъвкав графит с покритие от слюда или PTFE – Проводим при директен контакт на голия графит с метал. Изисква се посочване на изолирани или покрити версии.

• Компресиран влакнест материал без азбест (напр. серия Garlock 3000) – Умерен изолатор, но може да абсорбира влага и с времето да стане проводим. Не се препоръчва за дълготрайно потапяне.

• Епоксидна смола, напълнена с PTFE или стъкло (G10, FR4) – Твърд, с висока компресивна якост, отлично изолатор. Използва се в комплектите за изолация.

Разстояние на пълзене (път на изтичане): Уверете се, че уплътнението стига извън кръга на болтовете и няма проводими пътища. В комплектите за изолация уплътнението често покрива цялата фланцова повърхност (пълно лице), за да се предотврати достигането на електролита до болтовите отвори.

Съвет за монтиране: Никога не използвайте антизалипващи средства, съдържащи графит или метал, върху уплътнението или фланцовите повърхности. Графитът е проводим и може да създаде галваничен мост. Използвайте само резбов уплътнител на базата на ПТФЕ.

6. Промяна в конструкцията №4: Оптимизиране на геометрията на фланеца – увеличаване на анода

В галванична двойка скоростта на корозия на анода е пропорционална на отношението площ на катода/площ на анода . Ако катодът (супер дуплекс) е значително по-голям от анода (въглеродна стомана), токът се концентрира върху малкия анод, което води до бързо разрушение.

За намаляване на скоростта увеличете площта на анода или намаляване на площта на катода .

Практически начини:

• Използване на фланец от въглеродна стомана с по-голяма дебелина или по-голяма лицева повърхност – Това увеличава изложената анодна площ и намалява плътността на тока. Обаче по-големите фланци може да не са практични.

• Намаляване на напоената площ на фланеца от супердуплексна стомана – Покриване на хуба и задната повърхност на фланеца от супердуплексна стомана, като се остави само областта за контакт с уплътнителната лента непокрита. Това намалява площта на катода. (Покриването на супердуплексната стомана не е за нейната защита – то има за цел намаляване на повърхността на катода.)

• Добавяне на жертвена цинкова анода прикачен към фланеца от въглеродна стомана – Това „преодолява“ галваничната двойка, като прави цинка анода вместо въглеродната стомана. Този метод обаче е сложен и рядко се прилага за фланци.

По-лесен подход: Използвайте изолация вместо управление на съотношението на повърхностите. Но ако изолацията е невъзможна, нанасянето на покритие върху въглеродната стомана (анода) ефективно намалява нейната активна повърхност — което обаче е контрпродуктивно, тъй като по-малкият анод се корозира по-бързо. Почакайте, това е нюанс: нанасянето на покритие върху въглеродната стомана намалява площта на изложената част на анода, което увеличава плътността на тока върху останалите непокрити участъци и води до точкова корозия. Следователно само нанасянето на покритие може да бъде вредно, ако не е напълно безупречно.

По-добър подход: Покрийте супер Дуплекс (катода), за да намалите неговата смочена повърхност. Това директно намалява движещата сила, тъй като площта на катода е ограничена. Въглеродната стомана остава непокрита, но е защитена, защото галваничният ток е нисък. Това изглежда противоречиво, но е ефективно.

Препоръчани: Първо изолирайте. Ако изолацията се провали, нанесете покритие върху фланцовата повърхност от супер дуплекс стомана (с изключение на уплътнителната повърхност за уплътнителна лента) и оставете въглеродната стомана непокрита или също я покрийте.

7. Промяна в конструкцията №5: Контрол на електролита – поддържайте го сух или използвайте инхибитори

Галваничната корозия изисква електролит – вода, морска вода, кондензат или дори висока влажност. Ако можете да поддържате фланцовото съединение сухо , ток не протича.

Практични методи:

• Използвайте капак или предпазна обвивка за фланец – Пластмасови или гумени капаци, които предпазват съединението от дъжд, промиване с вода или морска пръскота. Прости и евтини.

• Нанесете корозионно инхибиращо средство, изместващо водата – Покрития на базата на ланолин или восък (напр. LPS, CorrosionX) върху външната повърхност на фланеца. Не се прилагат върху вътрешни, изложени на влага повърхности.

• Запълнете кръговото пространство с диелектричен грейс – При болтови фланци запълнете болтовите отвори и зазора между фланцовите повърхности с диелектричен силиконов грейс. Това изключва навлизането на влага и осигурява електрическа изолация.

• Използвайте сух азот за измиване – За затворени системи поддържайте суха областта около фланеца, но това рядко е възможно за външни фланци.

Ограничение: Тези мерки са ефективни при атмосферно или спрей-зоново въздействие, но не и при потопени или постоянно напоени вътрешни условия. Ако течността вътре е проводима (напр. морска вода), галваничната двойка е активна независимо от външната сухота.

За вътрешен поток: Трябва да изолирате или да нанесете защитно покритие. Външните мерки помагат само при външна корозия.

8. Обобщителна таблица: Коя конструктивна промяна за коя експлоатационна среда?

9. Чеклиста за набавка и монтаж на биметални фланцови съединения

Когато е необходимо да се свърже тръбопровод от супердуплексна стомана с фланец от въглеродна стомана, посочете следните елементи:

Закупуване:

• Диелектричен комплект за изолация на фланец с подходяща класификация за налягане/температура и съвместимост с течността.

• Изолационни болтови ръкави – дължина, точно съответстваща на дебелината на фланеца.

• Изолационни шайби – по една под всяка глава на болт и по една под всеки гайка.

• Непроводим уплътнителен материал – от ПТФЕ, G10 или фенолформалдехид. Не спирално навити уплътнителни материали с метални навивки.

• Фланец от въглеродна стомана с заводско покритие (FBE или течна епоксидна смола), ако изолацията не може да се използва.

• Свръхдуплексна фланца – стандартна (няма нужда от специално покритие, ако се изолира).

Инсталация:

• Почистете всички повърхности на фланците – премахнете заострените ръбове, ръжда и други замърсявания.

• Монтирайте изолационни ръкави в болтовите отвори – уверете се, че не са сплескани.

• Поставете непроводима уплътнителна прокладка – центрирайте я внимателно.

• Сглобявайте болтовете с изолационни шайби – отгоре и отдолу.

• Затегнете до предписан момент – не прекалено силно, тъй като това може да сплеска ръкавите.

• След затягането проверете електрическата изолация с мултиметър (трябва да покаже над 1 МΩ между фланците).

• Нанесете диелектрична смазка върху оголените краища на болтовете и ръбовете на фланците (по желание, но полезно).