Galvaanisen korroosion riskit, kun yhdistetään superduplex- ja hiilikteräksen liittimet: 5 suunnittelumuutosta bimetallisen hyökkäyksen poistamiseksi

Galvaanisen korroosion riskit, kun yhdistetään superduplex- ja hiilikteräksen liittimet: 5 suunnittelumuutosta bimetallisen hyökkäyksen poistamiseksi

Sinulla on superduplex-ruostumatonta terästä (esim. 2507) oleva putki – erinomainen korroosionkestävyys, korkea lujuus, täydellinen meriveden tai happamien aineiden käsittelyyn. Mutta jossakin vaiheessa sinun täytyy liittää se hiiliteräksiseen liitosrenkaaseen, mahdollisesti pumppunokkaan, säiliön liitokseen tai siirtymään hiiliteräksiseen jakoputkeen.

Tuo ruuvattu liitos näyttää viattomalta. Mutta olet juuri luonut galvaanisen solun – ja jos et suunnittele sitä oikein, hiiliteräksinen liitosrengas korrodoituu nopeasti, usein juuri tiivisteen tiukennuskohdassa tai ruuvipäiden alapuolella.

Galvaaninen korroosio (bimetallikorroosio) syntyy, kun kaksi eri metallia on sähköisesti yhdistetty johtavassa elektrolyytissä (merivesi, rannikkoalueen vesi tai jopa kostea teollisuusilmasto). Vähemmän jalometalli (hiiliteräs) toimii anodina ja kuluu eteenpäin – joskus jopa 10–100 kertaa nopeammin kuin se kuluisi yksinään.

Superduplex- ja hiiliteräs ovat hyvin kaukana toisistaan galvaanisessa sarjassa. Tämän kuitenkin voidaan käyttää turvallisesti, jos noudatetaan viittä todistettua suunnittelumuutosta. Tässä artikkelissa selitetään riski ja tarkkaan, miten se voidaan poistaa.

1. Galvaaninen sarja: Miksi superduplex ja hiiliteräs muodostavat vaarallisemman parin

Galvaaninen sarja järjestää metallit niiden sähkökemiallisen potentiaalin perusteella merivedessä. Sarjan yläosassa olevat metallit (anodiset, vähemmän jalometallit) kuluavat; alaosassa olevat metallit (katodiset, jalometallit) ovat suojattuja.

Arvioidut galvaaniset potentiaalit merivedessä (Ag/AgCl-viiteelektrodin suhteen):

Tämä hiiliteräksen ja superduplex-teräksen välinen ero on noin 400–500 mV . Se on suuri ero – riittävän suuri aiheuttaakseen voimakasta galvaanista korroosiota, erityisesti korkean johtavuuden elektrolyyteissä, kuten merivedessä (johtavuus ~50 mS/cm).

Kun nämä kaksi metallia on kytketty suoraan toisiinsa – esimerkiksi hiiliteräksestä valmistettu liitoslaippa kiinnitetty superduplex-putkeen – hiiliteräs toimii anodina ja kuluu etulyöntiasemassa. Häviö on usein paikallista juuri liitoksen kohdalla, tiivisteen alapuolella tai ruuvien kosketuspisteissä.

Esimerkki käytännössä: Meriveden jäähdytysjärjestelmässä käytettiin superduplex-teräksestä 2507 -putkea ja pinnoitettuja hiiliteräksestä valmistettuja liukulaitaliitoksia (slip-on flanges). Kuuden kuukauden sisällä hiiliteräksestä valmistetut liitokset olivat kovasti uroutuneet tiivisteen alapuolella, ja ruuvit olivat ruostuneet kiinni. Superduplex-teräs pysyi täysin ehjänä – mikä onkin juuri ongelma.

2. Galvaanisen korroosion todellinen kustannus liitospinnoissa

Galvaaninen korroosio liitospinnoissa ei aiheuta tasaisaa ohenemista – se aiheuttaa paikallista, kiihdytettyä häviötä pienillä anodialueilla. Tämä on pahin mahdollinen tapaus, koska korroosionopeudet voivat olla erittäin korkeita (10–50 mm/vuosi).

Yleisimmät vianilmaantumismallit:

• Tiivistimen alapuolinen urauminen – Hiiliteräksinen liitoslevyn pinta korrodoituu etusijassa tiivistimen alapuolella, mikä rikkoo tiivisteen ja aiheuttaa vuodon.

• Pultin pää ja mutterin kosketus – Hiiliteräksiset pultit (jos käytetään) korrodoituvat nopeasti superduplex-liitoslevyn kanssa koskettavassa kohdassa.

• Hitsausrajavyöhykkeet – Jos hiiliteräksinen putki hitsataan suoraan superduplex-liitoslevyyn (ei suositeltavaa), lämpövaikutettu vyöhyke voi muodostua anodiseksi.

• Liitoslevyn alapuolinen kapea raon muotoinen tila – Liitoslevyjen väliin jäänyt seisova merivesi tai kosteus kiihdyttää korroosiota.

Tulos: suunnittelemattomat pysäytystilanteet, liitosrenkaan vaihto ja mahdolliset turvallisuusvaarat (paineistettujen nesteiden vuodot). Yhden liitosrenkaan vikaantuminen kriittisessä putkijohdossa voi maksaa 50 000–200 000 dollaria käyttökatkoista ja korjauksista.

3. Suunnittelumuutos nro 1: Sähköinen eristys liitosrenkaaparista

Tehokkain tapa estää galvaaninen korroosio on katkaista sähköpiiri kahden metallin välillä. Jos sähkövirtaa ei voi kulkea, galvaanista korroosiota ei syntynyt.

Miten se tehdään:

• Eristävä tiivisteistöpaketin – Käytä täyskasvoista tai renkasmaista tiivistettä, joka on valmistettu ei-johtavasta materiaalista (esim. PTFE, G10/FR4 tai fenoliplastik). Tämä eristää liitosrenkaat toisistaan.

• Eristävät ruuvikotelot ja aluslevyt – Jokainen ruuvi kulkee läpi muovikotelon (esim. nyloni tai polyamidi), joka eristää ruuvin superduplex-liitosrenkaasta. Eristävät aluslevyt (ylhäällä ja alhaalla) estävät kosketuksen ruuvin/ruuvinpään ja molempien liitosrenkaiden välillä.

• Eristävä liitoslaatikko – Kaupallisissa sarjoissa (esim. PSI, Advance Products) on mukana tiiviste, putkimaista eristystä sisältävät kaulukset ja washereita, jotka on luokiteltu paineelle ja lämpötilalle.

Tärkeää: Eristys toimii vain, jos kAIKKI sähköiset reitit katkeavat. Varmista, että:

• Ruuvien kaulukset ulottuvat koko ruuvinreiän pituudelta.

• Washerit eristävät sekä mutterin että ruuvin pään.

• Mitkään metalliset välikappaleet, ruuvit tai anturit eivät ohita eristystä.

Huomio: Eristys estää myös katodisen suojauksen virtaa pääsemästä hiiliteräksiselle liitoslaatikolle. Jos hiiliteräksinen liitoslaatikko on jo eristetty, se voi korrodoitua normaalisti (ei galvaanisesti) – mutta tämä on hyväksyttävää, jos ympäristö ei ole aggressiivinen. Raskaassa käytössä saatetaan tarvita eristämisen sijasta pinnoitetta.

4. Suunnittelumuutos nro 2: Pinnoita hiiliteräksinen liitoslaatikko kokonaan

Jos et voi eristää (esim. sähköinen jatkuvuus vaaditaan maadoitukseen tai katodiseen suojaukseen), niin pinnanpuolitettava hiiliteräksinen liitoslaatta jotta sen tehollinen altistunut pinta-ala pienenee. Galvaaninen virrantiheys on verrannollinen katodin/anodin pinta-alasuhde. Hiiliteräksen (anodin) pinnoittamisella vähennetään virran tarvetta merkittävästi.

Pinnoitustekniset vaatimukset galvaaniselle suojaukselle:

• Täysi kotelointi – Pinnoitteen on peitettävä kaikki hiiliteräksisen liitoslaatan kosteudelle altistuvat pinnat: liitoslaatan pinta, keskusosan ulkoreuna, ruuvi-aukot ja jopa tiivistimen kosketuspinta (mutta huomiota tiivistimen tiukkuuteen).

• Korkea eristyslujuus – Pinnoitteen on oltava ei-johtava ja riittävän paksu estääkseen neulapisteet.

• Hyvä tarttuminen – Sulamisliitettävä epoksi (FBE), nestemäinen epoksi tai polyuretaani. Kenttäsovellettavat maalit ovat vähemmän luotettavia, koska naarmut paljastavat hiiliteräksen.

Suositellut pinnoitusjärjestelmät:

• Fuusiolla sidottu epoksi (FBE) – 300–500 mikronia, tehtaalla sovellettu. Parhaiten uusille liitospinnoille.

• Nestemäinen epoksi (kaksiosainen) – 400–600 mikronia, sovellettu kahdessa kerroksessa. Voidaan soveltaa kentällä, jos pinnan esikäsittely on täydellinen (SA 2,5 -sorvaus).

• PTFE- tai PFA-lining – Erittäin aggressiivisia olosuhteita varten (esim. kuuma merivesi, hapot). Kallis, mutta poistaa suoran kosketuksen.

Tärkeä yksityiskohta: Tiivistimen asennusalue on peitettävä tai erityisesti käsiteltävä – pinnoitteet voivat puristua tai muovautua kiinnitysvoiman vaikutuksesta. Käytä pinnoitettua liitosta erillisellä tiivistimellä tai määrittele liitos metallisella korotetulla liitospinnalla, joka jätetään pinnoittamattomaksi, mutta erotetaan sähköisesti superduplex-teräksestä tiivistimen avulla.

Tehokkuus: Hyvin pinnoitettu hiiliteräksinen liitos voi vähentää galvaanista korroosiota 90–99 %. Kuitenkin mikä tahansa naarmu tai pinnoitteen rikkoutuminen muodostaa pienemmän anodin, jota ympäröi suuri katodi (superduplex), mikä johtaa nopeaan pistekorroosioon. Siksi pelkkä pinnoite on vähemmän luotettava kuin sähköinen eristys.

5. Suunnittelumuutos #3: Käytä ei-metallista tai eristävää tiivistettä, jolla on suuri kriittinen etäisyys

Tiiviste itse voi joko edistää tai haitata. Johtava tiiviste (esim. kierrekelattu hiiliteräksestä valmistettu tiiviste) muodostaa suoran sähköisen yhteyden. Ei-johtava tiiviste katkaisee piirin.

Parhaat tiivistemateriaalit bimetalliflangeihin:

• PTFE-kotelointi tai kiinteä PTFE – Erinomainen eristin ja kemiallisesti kestävä. Rajoitettu kohtalaisiin painepaineisiin ja lämpötiloihin.

• Joustava grafiitti mika- tai PTFE-pinnalla – Johtava, jos paljaan grafiittiin tulee kosketus metalliin. Määrittele eristetyt tai pinnoitetut versiot.

• Asbestiton puristettu kuitumateriaali (esim. Garlock 3000 -sarja) – Kohtalainen eristin, mutta voi imeä kosteutta ja muuttua ajan myötä johtavaksi. Ei suositeltavaa pitkäaikaiseen upotukseen.

• PTFE:llä tai lasilla täytetty epoksi (G10, FR4) – Jäykkä, korkea puristuslujuus, erinomainen eriste. Käytetään eristyspakkauksissa.

Kipuamatka (vuotoreitti): Varmista, että tiiviste ulottuu kiinnitysrengasalueen ulkopuolelle ja siinä ei ole johtavia reittejä. Eristyspakkauksissa tiiviste peittää usein koko liitoslevyn pinnan (täyspinta) estääkseen elektrolyytin pääsyn ruuvi-aukkoihin.

Asennusvinkki: Älä koskaan käytä grafiittipohjaista tai metallia sisältävää liukastusainetta tiivisteen tai liitoslevyn pinnoilla. Grafiitti on sähköä johtavaa ja voi muodostaa galvaanisen sillan. Käytä ainoastaan PTFE-pohjaista kierreeristettä.

6. Suunnittelumuutos nro 4: Optimoidaan liitoslevyn geometria – tehdään anodi suuremmaksi

Galvaanisessa parissa anodin korroosionopeus on verrannollinen katodin/anodin pinta-alojen suhteeseen . Jos katodi (superduplex) on paljon suurempi kuin anodi (hiiliteräs), virta keskittyy pienelle anodille, mikä aiheuttaa nopean hyökkäyksen.

Korrosionopeuden vähentämiseksi suurenna anodin pinta-alaa tai vähentää katodialuetta .

Käytännön ratkaisut:

• Käytä paksuempaa tai suurempaa kasvopintaa omaavaa hiiliteräksistä liitoslaippaa – Tämä lisää altistettua anodi-alueita ja vähentää virrantiukkuutta. Suuremmat liitoslaipat eivät kuitenkaan välttämättä ole käytännöllisiä.

• Vähennä superduplex-liitoslaipan kosteuden käsittämää aluetta – Maalaa superduplex-liitoslaipan holkki ja takapinta, jättäen vain tiivistepinnan altistettavaksi. Tämä vähentää katodialuetta. (Superduplex-materiaalin maalaaminen ei tarkoita sen suojaamista – se tehdään katodipinnan pinta-alan vähentämiseksi.)

• Lisää uhri sinkianodi kiinnitetty hiiliteräksiseen liitoslaippaan – Tämä 'ohittaa' galvaanisen parin, jolloin sinkistä tulee anodi eikä hiiliteräksestä. Tämä on kuitenkin monimutkainen ratkaisu, jota harvoin käytetään liitoslaipoihin.

Helpompi lähestymistapa: Käytä eristämistä alueiden suhteiden hallinnan sijaan. Mutta jos eristäminen ei ole mahdollista, hiiliteräksen (anodin) pinnoittaminen vähentää tehokkaasti sen aktiivista pinta-alaa – mikä on kuitenkin vastatuotosta, koska pienempi anodi korrodoituu nopeammin. Odota, tässä on hienovarainen seikka: hiiliteräksen pinnoittaminen vähentää altistetun anodin pinta-alaa, mikä lisää jäljelle jäävien paljaiden kohtien virrantiukkuutta ja johtaa pisteittäiseen korroosioon. Siksi pelkkä pinnoitus voi olla haitallisempaa, ellei se ole täysin virheetön.

Paras lähestymistapa: Pinnoita superduplex (katodi) vähentääkseen sen kosteuttamaa pinta-alaa. Tämä vähentää suoraan ajavaa voimaa, koska katodin pinta-ala on rajoitettu. Hiiliteräs pysyy paljaana, mutta se on suojattu, koska galvaaninen virta on pieni. Tämä vaikuttaa vastaintuiselta, mutta se on tehokas ratkaisu.

Suositeltavaa: Eristä ensin. Jos eristäminen epäonnistuu, pinnoita superduplex-liitoslevyn pinta (paitsi tiivistepinta) ja jätä hiiliteräs paljaaksi tai pinnoita se myös.

7. Suunnittelumuutos nro 5: Säädä elektrolyyttiä – pidä se kuivana tai käytä inhibiittoreita

Galvaaninen korroosio vaatii elektrolyytin – veden, meriveden, kondenssin tai jopa korkean ilmaston kosteuden. Jos voit pitää liitoskohdan kuivana , sähkövirtaa ei kulje.

Käytännön menetelmät:

• Käytä liitoskannaketta tai suojaa – Muoviset tai kumiset kannukset, jotka estävät sateen, pesuveden tai merenpirtelön pääsemästä liitoskohtaan. Yksinkertaisia ja edullisia.

• Käytä vettä poistavaa korroosioinhibiittoria – Lanoilin- tai vahapohjaisia pinnoitteita (esim. LPS, CorrosionX) liitoskannakkeen ulkopinnalle. Ei sovellettavissa sisäisiin, veteen altistuviin pintoihin.

• Täytä rengasmaisen tilan dielektrinen rasva – Kiinnitetyissä liitoskannakkeissa täytä ruuvireiät ja liitoskannakkeiden välinen aukko silikoni-dielektrisellä rasvalla. Tämä estää kosteuden tunkeutumisen ja erottaa sähköisesti.

• Käytä kuivaa typenpuhdistusta – Suljetuissa järjestelmissä pidä liitoskohdan ympäristö kuivana, mutta tämä on harvoin mahdollista ulkokäyttöön tarkatuille liitoskohdille.

Rajoitus: Nämä toimenpiteet ovat tehokkaita ilmakehän tai roiskealueen altistumiseen, muttei upotettuun tai jatkuvasti kosteutta saavaan sisäiseen käyttöön. Jos sisällä oleva neste on johtava (esim. merivesi), galvaaninen pari aktivoituu riippumatta ulkoisesta kuivuudesta.

Sisäiselle virtaukselle: Sinun on erotettava liitoskohta tai pinnoitettava se. Ulkoiset toimenpiteet auttavat ainoastaan ulkoisen korroosion estämisessä.

8. Yhteenvetotaulukko: Mikä suunnittelumuutos kuhunkin käyttöolosuhteeseen?

9. Hankinta- ja asennustarkistuslista bimetallillisille liitoslevyliitoksille

Kun sinun täytyy yhdistää superduplex-putkistoa hiiliteräksisellä liitoslevyllä, määrittele seuraavat tuotteet:

Hankinnat:

• Eristävä liitoslaatikko paineen, lämpötilan ja nesteen yhteensopivuuden kannalta arvioitu.

• Eristävät ruuvikotelot – pituus täsmää tarkasti liitoslevyn paksuuden kanssa.

• Eristävät washereita – yksi jokaisen ruuvinpään alle, yksi jokaisen mutterin alle.

• Ei-johtava tiivistelaatta – PTFE, G10 tai fenolihartsipohjainen. Ei kierrekelattuja tiivistelaattoja metallikierroksilla.

• Hiiliteräksinen liitoslevy tehdaspinnoituksella (FBE tai nestemäinen epoksipinnoite), jos eristystä ei voida käyttää.

• Superduplex-liitoslaatta – standardi (erityistä pinnoitetta ei tarvita, jos eristetään).

Asennus:

• Puhdista kaikki liitoslaattojen pinnat – poista teräkset, ruoste ja lika.

• Asenna eristävät kotelot kiinnitysreikiin – varmista, että niitä ei puristu litteäksi.

• Aseta ei-johtava tiiviste – keskitä se huolellisesti.

• Kokoa ruuvit eristävien washerien kanssa – ylä- ja alapuolelle.

• Kiristä määritellyn momentin mukaan – älä ylikiristä, koska se voi puristaa kotelot litteäksi.

• Kiristämisen jälkeen tarkista sähköinen eristys multimetrillä (mittauksen tulisi olla yli 1 MΩ liitoslaattojen välillä).

• Käytä dielektristä voiteluainetta näkyvillä ruuvin päissä ja liitoslaattojen reunoilla (valinnainen, mutta hyödyllinen).