Kulumiskorroosio lietteiden käsittelyssä: seoksen kovuuden sovittaminen putken käyttöiän kanssa

Kulumiskorroosio lietteiden käsittelyssä: seoksen kovuuden sovittaminen putken käyttöiän kanssa

Lietteiden käsittelyssä – olipa kyse sitten malminrikastusten, kaivosten jätteiden tai kemiallisten prosessilietteiden kuljetuksesta – putket kuolevat kaksinkertaisesti. Ne kulumavat mekaanisesti samanaikaisesti kiinteiden hiukkasten aiheuttaman kulutuksen ja kuljetusnesteestä johtuvan elektrokemiallisen liukenemisen vuoksi.

Kun määritellään materiaaleja lieteputkistoon, on houkuttelevaa valita mahdollisimman kova materiaali. Intuitio viittaa siihen, että jos hiukkaset raapaisivat metallia, kovempi pinta kestäisi tätä raapaisua paremmin. Kuitenkin kymmenien vuosien tutkimus kulumiskorroosiosta paljastaa vastaintuittiolaisen totuuden: Monissa lietteisissä ympäristöissä korrosionkestävyys on tärkeämpi kuin kovuus palveluelämän pidentämiseksi  .

Tässä artikkelissa tarkastellaan kulutus-korroosion mekanismia, kovuuden myyttiä ja sitä, miten seokset kuten Hastelloy C276 suoriutuvat, kun liete muuttuu raa’aksi.

»1 + 1 = 3« -ongelma: ymmärretään synergia

Kulutus-korroosio ei ole pelkästään mekaanisen kulumisen ja kemiallisen korroosion summa. Nämä kaksi mekanismia vaikuttavat toisiinsa niin, että kokonaismateriaalin menetys on huomattavasti suurempi kuin kumpikaan mekanismi erikseen voisi aiheuttaa. Tätä kutsutaan synergiaefektiksi .

Tutkimukset Hastelloy C276 -seoksesta korroosioalttiissa lietteissä vahvistavat tämän ilmiön. Tutkimukset osoittavat, että tietyillä sovelletuilla potentiaaleilla kokonaismateriaalin menetys voi olla yli kaksinkertainen verrattuna puhtaaseen mekaaniseen kulumiseen  . Tämä johtuu siitä, että:

1. Korroosion vahvistama kuluminen: Korroosio hyökkää jyvärajoja vastaan tai liuottaa valikoivasti seoksen kovaa faasia. Tämä heikentää pinnan mikrorakennetta, mikä tekee kiinteistä hiukkasista helpompaa irrottaa metallin palasia, jotka muuten pysyisivät ehjinä.

2. Kulumisen vahvistama korroosio: Kiinteät hiukkaset raapaisivat jatkuvasti pois suojaavan passiivisen oksidikerroksen, joka antaa nikkeli-seoksille niiden korroosionkestävyyden. Kun kerros on poistettu, alaston, aktiivinen metalli altistuu elektrolyytille, mikä aiheuttaa voimakkaan nousun korroosiovirtatiukkuudessa. Tutkimukset ovat havainneet, että C276-seoksessa tapahtuva liukumiskuluminen voi kasvattaa virtatiukkuutta kolmella kertaluvulla  .

Tämän synergian sivuuttaminen johtaa suurellisiin aliarvioihin kulumisnopeuksissa.

Kovuusmyytti: Miksi ruostumaton teräs kestää pidempään kuin teräs

Klassinen tutkimus materiaaleista hiili-vesi-liuoksissa toi esiin ratkaisevan löydön: Korroosionkestävyys osoittautui tärkeämmäksi kuin kovuus kulumiskestävyyden kannalta  .

Tarkastellaan kahta materiaalia:

• Korkean hiilipitoisuuden teräs (kovaa): Erinomainen kulutuskestävyys kuivassa ympäristössä. Kuitenkin lietteessä jokainen hiukkasen isku poistaa ruosteen kerroksen, ja teräksen korkea korroosionopeus varmistaa jatkuvan materiaalin menetyksen.

• Ruuvisuojattu teräs (pehmeämpi, mutta korroosionkestävä): Vaikka se on pehmeämpi, sen kyky muodostaa uudelleen passiivikerros nopeasti minimoi korroosion osuuden. Synergiaefekti tukahdutetaan.

Tutkimuksessa havaittiin, että 304-ruostumaton teräs tarjoaa "parhaan kompromissin kustannusten ja suorituskyvyn välillä" hiilenkäsittelyympäristöissä ja ylittää suorituskyvyssään kovempia materiaaleja, kuten kupronikkeleitä. .

Tämä periaate pätee myös nikkeli-seoksille. Vaikka C276:ta ei yleensä valita sen kulutuskestävyyden vuoksi (sen kovuus on kohtalainen, noin 210 HB), sen kyky säilyttää passiivikerros kloridipitoisissa ja happamissa lietteissä estää "korroosion vahvistamaa kulutusta" -silmukkaa karkaamasta hallinnasta. .

Tapausanalyysi: seokset korkean nopeuden lietteissä

Nopeus on kerroin liuokseissa. Kulumatason ja virtausnopeuden välinen suhde ilmaistaan usein seuraavasti:
Wear Rate = const x vⁿ

Syöpymisliuoksissa nvastaa usein happimassansiirtoon perustuvaa korroosiota, mikä tarkoittaa, että nesteen dynamiikka määrittää korroosion nopeuden . Korkeammilla nopeuksilla katodinen reaktio (happien pelkistyminen) kiihtyy, mikä johtaa metallin nopeampaan kulumaan.

Testeissä hiekka-liuoksilla suolaisessa vedessä kokonaiskulumatarpeet vaihtelivat välillä 6–25 mm vuodessa , mikä liittyy suoraan nopeuteen . Tällaisissa ympäristöissä hiiliterästä käytettäessä materiaali kuluu nopeasti, koska sen korroosiotuotteet eivät tarjoa suojaa. C276-materiaali sen sijaan muodostaa tiukentavan oksidikerroksen, joka uudistuu välittömästi myös silloin, kun se on vaurioitunut, edellyttäen että ympäristö ei ole liian pelkistävä.

Milloin tarvitset "kovan pinnan"? Poikkeukset

Korrosionkestävyyden ensisijaisuutta koskevalla filosofialla on rajansa. Liuos, jossa liikkuu erittäin suuria, kulmia partikkeleita korkealla nopeudella (esim. pohjatuhkan liuokset), voi aiheuttaa niin voimakasta mekaanista kulumista, että se ylittää seoksen kyvyn muodostaa uudelleen suojaava passiivikerros.

Näissä äärimmäisissä tapauksissa kovapintaisia seoksia sovelletaan tehokkaasti menetelmillä kuten HVOF (korkeanopeuksinen happi-polttokaasumenetelmä). Viimeaikaisessa tutkimuksessa verrattiin kobolttipohjaista (Stellite 6) ja nikkeli-pohjaista (Colmonoy 88) pinnoitetta ja saatiin seuraavat tulokset:

• Nikkeliseospinnoitteet saavuttivat korkeamman mikrokovuuden (601 HV) ja paransivat perusmetallin kulumiskestävyyttä 3,21-kertaisesti pohjatuhkan olosuhteissa .

• Kuitenkin suorituskyky riippui iskukulmasta. Muovautuvat materiaalit, kuten nikkeli-seokset, kulumat eniten pienillä iskukulmilla (30°), kun taas hauraat materiaalit kulumat eniten jyrkillä kulmilla (60°) .

Tämä korostaa keskeistä päätöksentekopistettä: jos suojataan putken taivutusta (jossa iskukulmat ovat pieniä ja kuluminen vakavaa), saattaa olla tarpeen kovaa, uhrautuvaa pinnoitetta. Jos taas ollaan huolissaan yleisestä seinämän ohentumisesta suorassa putkiosassa suolaisessa lietteessä, kiinteä korrosioresistentti seos, kuten C276, toimii paremmin kuin kova hiiliteräs.

Käytännön ohjeita lieteputkien valintaan

1. Karakterisoi liete ensin

• Hiukkasten kulmaisuus: Pyöristynyt hiekka on vähemmän aggressiivinen kuin terävät, murtuneet malmit.

• Nopeus: Yli kriittisen rajan (yleensä 3–5 m/s) korroosion osuus kasvaa jyrkästi.

• Kemia: Onko kantavuusneste makeaa vettä (alhainen korroosioriski) vai suolavettä/happamia prosessivesiä (korkea korroosioriski)?

2. Sovella "synergian" tarkistusta

Kysy itseltäsi: Mitä tapahtuu, jos käytetään korkealujuista terästä ja passiivikerros (ruoste) poistetaan? Jos vastaus on "nopea, paikallinen hyökkäys", turvallisempi vaihtoehto on korrosioresistentti seos, kuten C276.

3. Harkitse kaksinkertaisia ratkaisuja

• Kiinteä C276: Ideaali aggressiivisille kemiallisille liuoksille, joissa korroosio on pääasiallinen tekijä ja nopeudet ovat kohtalaisia.

• C276-pintakäsitelty tai -lineröity putki: Erittäin kovien kuluttavien liuosten kanssa, joissa on korroosiovaikutusta, hiiliteräksestä valmistettu putki tarjoaa rakenteellisen lujuuden, kun taas ohut C276-keraus tai -lineröinti tarjoaa korroosionkestävyyden. Teräs kestää paineen; C276 estää synergiavaikutuksen.

• Kovapintainen pinnoite: Paikallisille korkean kulutuksen alueille (kaaret, haarautumat) voidaan harkita korroosionkestävän alustan päälle HVOF-menetelmällä sovellettavia nikkeliä sisältäviä pinnoitteita. .

Johtopäätös: Valitse materiaali mekanismin mukaan

Yhtälö "kovuus = kestävyys" ei toimi liuosputkistoissa, koska se jättää huomiotta elektrokemian. Eroosion ja korroosion välinen synergiavaikutus tarkoittaa, että materiaalin kyky ylläpitää passiivista kalvoa on usein sen tärkein ominaisuus.

Hastelloy C276, jonka korkea PREN-arvo ja nopeat uudelleenpassivoitumisominaisuudet tarjoavat vankan suojan korroosio eroosio-korroosioyhtälön puolelle korrosion hallinnan avulla estetään mekaanisen kuluman kiihtyminen.

Kemiallisesti aggressiivisissa liuoksissa pisimmän käyttöiän saavuttamiseksi seoksen korrosionkestävyyden sovittaminen nesteen kemialliseen koostumukseen on ensimmäinen ja tärkein askel. Kovan materiaalin ominaisuus on ainoastaan toinen puolustuslinja.