Hvað er hola tæring og hvernig á að koma í veg fyrir það

Pitting tæring er ein hættulegasta og villandi form niðurbrots efnis í verkfræði. Ólíkt yfirborðsryði sem auðvelt er að sjá, ræðst gryfjuárásir frá einum smásæjum punkti, borað er djúpt í málminn á meðan megnið af yfirborðinu er ósnortið. Þegar hola er sýnileg með berum augum gæti hún þegar farið nógu djúpt í gegn til að valda burðarvirki, þrýstingsleka eða skelfilegri bilun. Það er ábyrgt fyrir óhóflegum hluta tæringar-tengdra iðnaðarslysa, bilana í leiðslum og skipta um íhluti um allan heim.

Þessi grein útskýrir hvað gróptæring er, hvers vegna hún gerist, hvaða efni eru viðkvæmust, hvernig á að mæla viðnám með því að nota vísindaleg verkfæri eins og PREN vísitöluna og - síðast en ekki síst - hvernig á að koma í veg fyrir það með snjöllu efnisvali, hönnun og viðhaldi.

Hvað er hola tæring?

Gryfjutæring er staðbundið form rafefnafræðilegrar árásar þar sem lítil holrúm - sem kallast holur - myndast og komast inn í málmyfirborð. Þó að almenn tæring dreifist jafnt yfir yfirborð og tiltölulega auðvelt sé að fylgjast með og spá fyrir um, þá safnast gryfjun í örsmáum blettum, oft minna en 1 mm í þvermál á yfirborðinu, en hugsanlega nokkra millimetra djúpt inni í efninu.

Hugsaðu um þetta svona: ímyndaðu þér tvær aðstæður þar sem vatn skemmir viðargólf. Í fyrsta lagi verður allt gólfflöturinn rakur og bólgnar jafnt út - þú getur séð vandamálið strax. Í þeirri seinni rotnar eitt falið pípudropar viðinn hægt og rólega frá einum stað niður á við, þannig að restin af gólfinu lítur fullkomlega út þar til daginn sem fóturinn þinn fer í gegnum það. Pitting tæring er önnur atburðarásin og hún er mun hættulegri.

Hvernig pitting byrjar: Hlutlaus kvikmyndasundrun

Flestir -tæringarþolnir málmar - þar á meðal ryðfríu stáli og nikkelblendi - eru verndaðir af þunnu, ósýnilegu oxíðlagi sem kallast óvirka filman. Fyrir ryðfríu stáli er þessi filma fyrst og fremst krómoxíð (Cr₂O₃), aðeins örfáa nanómetrar þykk en einstaklega áhrifarík til að koma í veg fyrir að súrefni og raki berist í málminn undir.

Pitting byrjar þegar þessi óvirka kvikmynd er staðbundin brotin. Brotið er venjulega kveikt af árásargjarnum jónum - oftast klóríðjónum (Cl⁻) úr saltvatni, af-íssöltum eða iðnaðarefnum. Klóríðjónir eru litlar, mjög hreyfanlegar og efnafræðilega árásargjarnar. Þeir ráðast helst á óvirku filmuna á veikum stöðum: yfirborðs rispur, innfellingar (smáar óhreinindaagnir innan málmsins), gatnamót á kornamörkum eða svæði með afgangsálagi.

Þegar óvirka kvikmyndin brotnar niður á punkti myndast rafefnafræðileg fruma. Beinn málmur inni í gryfjunni verður að rafskautinu (þar sem málmur leysist upp), en ósnortið yfirborð í kring verður bakskautið. Gryfjan er nú sjálf-viðhaldandi: efnafræðin að innan verður sífellt súrari og klóríð-ríkari, hraðar málmupplausn, á meðan óvirka filman á yfirborðinu í kring bælir virkan tæringarhraða alls staðar annars staðar. Þetta er ástæðan fyrir því að gryfjur vaxa niður á við, ekki út á við.

Þrjú stig holaþróunar

Upphaf: Óvirka kvikmyndin brotnar niður á veikanum stað. Engar sjáanlegar skemmdir ennþá. Lengd getur verið dagar til ár eftir umhverfi og efni.

Fjölgun: Virk hola vex. Málmur leysist upp inni í gryfjunni með hröðum hraða. Gryfjan kann að vera falin undir tæringarhettu, sem gerir sjóngreiningu erfitt.

Inngangur: Gryfjan nær fullri veggþykkt, sem veldur gegnum-gati, leka eða bilun í burðarvirki. Í þrýstikerfi er þetta hörmulegur bilunaratburður.

Hvers vegna hola tæring skiptir máli: Kostnaður

Holtæring er ekki bara rannsóknarstofuhugtak - það er dýrt, hættulegt og útbreitt iðnaðarvandamál. Í 2016 NACE International (nú AMPP) rannsókninni var áætlað að alþjóðlegur árlegur kostnaður við tæringu væri 2,5 billjónir Bandaríkjadala, sem samsvarar um það bil 3,4% af vergri landsframleiðslu. Hola og staðbundin tæring eru verulegur hluti af þessari heild.

Tafla 1 - Raunveruleg-Heimsáhrif holutæringar eftir iðnaði

Heimildir: NACE International Cost of Corrosion Study (2016); Bandaríska FHWA tæringarskýrsla; Gögn USAF tæringarvarnar- og eftirlitsáætlunar.

Hvaða málmar eru viðkvæmastir fyrir gryfju?

Næstum hvaða óvirkur málmur sem er getur holað undir réttum - eða öllu heldur röngum - skilyrðum. Lykilbreytan er stöðugleiki óvirku filmunnar í tilteknu umhverfi. Taflan hér að neðan raðar algengum verkfræðilegum málmum og málmblöndur eftir holuþol þeirra, frá viðkvæmustu til ónæmustu.

Tafla 2 - Pitting varnarleysi algengra verkfræðiefna

PREN=%Cr + 3.3(×%Mo) + 16(×%N). *Títan notar annan tæringarbúnað og PREN á ekki beint við. PREN Stærra en eða jafnt og 40 er almennur þröskuldur fyrir sjóþjónustu.

Skilningur á PREN Index: Pitting Resistance Scorecard

Pitting Resistance Equivalent Number (PREN) er mest notaði eins-töluvísitalan til að bera saman gryfjuþol ryðfríu stáli og nikkelblendi. Það eimar flókna efnafræði málmblöndunnar í eitt stig, sem gerir verkfræðingum kleift að raða efnum fljótt áður en þeir framkvæma ítarlegri prófanir.

PREN formúlan

Hver þáttur í PREN formúlunni stuðlar á mismunandi hátt að holamótstöðu. Króm myndar aðal óvirka filmuna. Mólýbden er vegið 3,3 sinnum þyngra en króm vegna þess að það kemur stöðugleika á óvirku filmuna í klóríðumhverfi með ótrúlegri skilvirkni - 1% aukning á mólýbdeninnihaldi bætir gryfjuþol u.þ.b. þrisvar sinnum meira en 1% aukningu á krómi. Köfnunarefni er vegið 16 sinnum, sem gerir það að öflugasta PREN hvatamanninum á hverja þyngdareiningu, sem er ástæðan fyrir því að ofur tvíhliða og ofur austenítískt ryðfrítt stál bæta vísvitandi köfnunarefni.

Tafla 3 - Hvernig málmblöndur stuðla að holuþol

PREN Stærra en eða jafnt og 40: Almennur iðnaður þröskuldur fyrir sjóholuþol. PREN Stærra en eða jafnt og 25: Mælt er með lágmarki fyrir heitt klóríð umhverfi. PREN<20: Avoid in any chloride-containing service.

Umhverfisþættir sem koma af stað og flýta fyrir gryfju

Efnisval er aðeins helmingur gryfjujöfnunnar. Umhverfið ræður því hvort hola fer af stað og hversu hratt það gengur. Taflan hér að neðan sýnir helstu umhverfisbreytur og áhrif þeirra á gryfjuáhættu.

Tafla 4 - Umhverfisþættir sem hafa áhrif á tæringaráhættu

Hvernig á að koma í veg fyrir hola tæringu

Nánast alltaf er hægt að koma í veg fyrir gryfjutæringu þegar réttar ráðstafanir eru gerðar á réttu stigi verkefnis. Forvarnir starfa í fimm lögum: efnisvali, yfirborðsundirbúningi, hönnun, rekstrareftirliti og eftirliti. Áhrifaríkustu forvarnarforritin nota öll fimm lögin samtímis.

Lag 1: Efnisval - Passaðu PREN við umhverfið

Áhrifaríkasta aðferðin til að koma í veg fyrir gryfjuvörn er að velja efni með nægilegt PREN fyrir klóríðstyrk og hitastig fyrirhugaðrar þjónustu. Taflan hér að neðan veitir raunhæfar leiðbeiningar um efnisval eftir umhverfi.

Tafla 5 - Ráðlagt efni eftir umhverfi og klóríðstigi

Lag 2: Undirbúningur yfirborðs - Verndaðu óvirku filmuna

Ryðfrítt stál íhlutur með framúrskarandi álefnafræði getur samt holað ef yfirborð hans er mengað eða skemmt. Sérhver ryðfrítt stálframleiðsla sem kemst í snertingu við umhverfi sem inniheldur klóríð- ætti að fá eftirfarandi yfirborðsmeðferð sem lágmarksstaðla:

Súrsun: Meðhöndlun með sýrulausn (venjulega saltpéturs/flúrsýra eða sítrónusýra) til að leysa upp yfirborðsjárnmengun, suðuskala og hitalit frá suðu. Súrsun fjarlægir óvirka filmu gallana sem þjóna sem upphafsstaðir.

Hlutlausn: Útsetning fyrir oxandi sýru (venjulega saltpéturssýru samkvæmt ASTM A967 eða sítrónusýru samkvæmt ASTM A967) til að umbreyta og þykkja óvirka oxíðfilmuna jafnt eftir súrsun eða vélrænni vinnu.

Yfirborðsáferð: Sléttari yfirborð (neðri Ra) hafa færri ör-sprungur og eru síður viðloðnar klóríðviðloðun. 2B eða BA áferð er lágmark fyrir ætandi þjónustu; Nei. 4 eða rafslípuð áferð er æskileg fyrir há-áhættunotkun.

Forðist járnmengun: Aldrei má nota verkfæri úr kolefnisstáli, bursta eða slípidiska á ryðfríu stáli yfirborði. Innfelldar járnagnir búa til galvanískar frumur sem koma af stað gryfju.

Lag 3: Hönnun - Eyddu sprungum og stöðnuðum svæðum

Sprungu tæring og gryfjun deila sömu rafefnafræðilegu vélinni. Góð hönnunarvenja útilokar rúmfræðilegar aðstæður sem einbeita klóríðum og eyða súrefni:

Tilgreindu fullar-stúfsuður frekar en hringsuður eða flaksuður sem mynda sprungur.

Tæmdu öll skip að fullu; hönnun fyrir engan standandi vökva þegar kerfi eru aðgerðalaus. Stöðnandi klóríðlausnir þéttast með tímanum.

Tilgreindu PTFE-, gúmmí- eða álþéttingar sem passa við tæringarþol flansefnisins. Hefðbundnar trefjaþéttingar geta einbeitt klóríð.

Forðastu að þræða ryðfríar festingar í yfirbyggingar úr kolefnisstáli. Hönnun fyrir flans- eða stubbsuðutengingar þar sem hætta er á hola.

Haltu lágmarksflæðishraða yfir 0,5 m/s í öllum vökva-pípum til að koma í veg fyrir stöðnun og klóríðstyrk.

Lag 4: Rekstrarstýring - Stjórna efnafræðinni

Stjórna styrk klóríðs í vinnslustraumum; notaðu jónaskipti, öfuga himnuflæði eða þynningu ef þörf krefur.

Haltu pH yfir 7,0 í vatnskerfum þar sem hægt er. Bætið við tæringarhemlum ef ekki er hægt að viðhalda sýrustigi.

Takmarkaðu rekstrarhitastig við undir Critical Pitting Temperature (CPT) tilgreindrar málmblöndu. Hver 10 gráðu hækkun yfir CPT flýtir verulega fyrir upphaf holu.

Skolið og þurrkið kerfi þegar þau eru tekin úr notkun. Stöðnuð klóríðlausnir meðan á stöðvun stendur valda meiri skaða en samfelld notkun.

Lag 5: Vöktun - Finndu áður en það er of seint

Ultrasonic Testing (UT): Mælir veggþykkt að utan; skynjar gryfjadýpt án snertingar vörunnar. Kostnaðarvænsta-reglubundna eftirlitsaðferðin.

Rafefnafræðilegur hávaði (EN) Greining: Greinir sveiflukennd rafefnafræðileg merki sem myndast af virkum gryfjum. Gagnlegt fyrir rauntíma eftirlit með næmum kerfum.

Eddy Current Testing (ECT): Árangursríkt til að greina gryfju í þunnt-veggrör og skel-og-rörvarmaskipti án þess að tæma kerfið.

Sjónræn + endoscopic skoðun: Árangursrík fyrir aðgengileg yfirborð; takmarkað af-sjónlínu-þvingunum í flókinni rúmfræði.

Fimm algengustu graftæringarmistökin

Algengar spurningar

Þetta eru spurningarnar sem verkfræðingar, viðhaldsteymi og innkaupastjórar spyrja oftast þegar þeir fást við tæringu á holum.

Sp.: Hvernig lítur hola tæring út?

A: Pitting birtist sem lítil, stakur holur eða holrúm á málmyfirborði, oft umkringd ryði eða tæringarafurð. Gryfjurnar geta verið allt frá smásæjum (erfitt að sjá án stækkunar) upp í nokkra millimetra í þvermál. Í ryðfríu stáli lítur yfirborðið í kring oft alveg óskemmt út, sem gerir gryfjuna blekkjandi sjónrænt. Inni í gryfju er málmyfirborðið gróft og óreglulegt, með staðbundið lágt pH (oft pH 2–3) og háan klóríðstyrk.

Sp.: Er gryfjutæring það sama og ryð?

A: Nei, þó þau séu skyld. Ryð er sérstök tegund almennrar tæringar sem á sér stað á kolefnisstáli og framleiðir járnoxíð (Fe₂O₃), sem er auðþekkjanlegt á appelsínugula-brúna litnum. Pitting er staðbundin árás sem getur átt sér stað á óvirka málma eins og ryðfríu stáli, áli og nikkelblendi sem ryðga ekki í hefðbundnum skilningi. Íhlutur úr ryðfríu stáli getur myndað virkar gryfjur án þess að appelsínugult ryð sést á yfirborðinu -, þetta gerir gryfju hættulegri og erfiðara að greina en almennt ryð.

Sp.: Hvað er Critical Pitting Temperature (CPT)?

A: Critical Pitting Temperature (CPT) er hitastigið þar sem málmblöndur byrja að grýta í staðlaða klóríðprófunarlausn. Það er lykilatriði til að einkenna álfelgur. Til dæmis hefur SS 316L CPT um það bil 15–18 gráður í sjó, á meðan super duplex 2507 hefur CPT yfir 50 gráður og Inconel 625 hefur CPT yfir 100 gráður. Þegar efni er valið verður CPT að fara yfir hámarks þjónustuhitastig með viðeigandi öryggismörkum.

Sp.: Er hægt að gera við tæringu á gryfju?

Sv.: Stundum er hægt að bregðast við minniháttar gryfjumyndun á yfirborði með slípun, endur-suðu eða rafsuðu, fylgt eftir með endur-aðbúnaði. Hins vegar þarf venjulega að skipta um íhluti í gegnum-vegggryfju eða mikla innri gryfju. Í þrýstilögnum eru allar gegnum-vegggryfjur ósamræmi í kóða- sem krefst tafarlausrar aðgerða. Forvarnir eru alltaf -hagkvæmari en viðgerðir: 6 tommu ryðfríu stáli pípuhluti sem hefur áhrif á gryfju getur kostað $50 til $200 til að skipta út sem fyrirbyggjandi viðhaldsaðgerð; sama bilun sem veldur neyðarstöðvun getur kostað $ 100.000 til $ 10 milljónir eftir ferlinu.

Sp.: Kemur málning eða húðun í veg fyrir gryfju á ryðfríu stáli?

A: Hlífðarhúð er venjulega ekki borið á ryðfríu stáli til að koma í veg fyrir holur vegna þess að þau eru óþörf í flestum þjónustuskilyrðum þegar rétta einkunn er valin. Hins vegar, í ákveðnu ytra umhverfi (grafin mannvirki, íhlutir á kafi á sjó, mjög árásargjarnt iðnaðarandrúmsloft), getur blanda af háu-PREN ryðfríu stáli eða nikkelblendi með hlífðarhúð og/eða bakskautsvörn verið ákjósanlegasta verkfræðilega lausnin. Hættan við húðun á ryðfríu efni er sú að allir húðunargallar (frí) einbeita sér að bakskautsverndarstraumnum og geta í raun flýtt fyrir tæringu á gallapunktinum í sumum stillingum.

Niðurstaða

Tæring í holum er villandi, hættuleg og dýr - en hún er líka fyrirsjáanleg og hægt að koma í veg fyrir hana. Vísindin eru vel þekkt, tækin til að mæla viðnám (PREN, CPT próf, rafefnafræðilegt mat) eru víða tiltæk og fyrirbyggjandi aðgerðir eru sannaðar. Bilið á milli verkefnis sem verður fyrir bilun í holum og þess sem gerir það ekki er næstum alltaf bil í efnislýsingu, yfirborðsmeðferð eða hönnunarstarfi - ekki bil í verkfræðiþekkingu.

Kjarniskilaboðin eru einföld: veldu efni með nægilegt PREN fyrir umhverfið þitt, verndaðu óvirka filmu þess með réttri súrsun og aðgerðaleysi, útrýmdu sprungum og kyrrstæðum svæðum í hönnun þinni og fylgstu með fyrstu merki um árás. Þessum skrefum, sem beitt er jafnt og þétt, koma nánast í veg fyrir tæringu í holum sem bilunarham yfir allan endingartíma kerfis.

Fyrir notkun á ryðfríu stáli og nikkelblendi er rétta einkunnavalið öflugasta einstaka aðgerðin sem verkfræðingur getur gripið til. Uppfærsla úr SS 304 í SS 316L í mildu klóríðumhverfi, eða fráSS 316Ltiltvíhliða 2205í erfiðu umhverfi kostar brot af einni ófyrirséðri stöðvun. Sú fjárfesting skilar sér margfalt til baka í forðast viðhaldi, koma í veg fyrir bilanir og verndað orðspor.