Kokia yra geriausia korozijai atsparios mechaninės sandarinimo medžiaga?

Įvadas

Renkantis korozijai atsparaus mechaninio sandariklio medžiagą, svarbu ne rasti vieną universalų „geriausį“ variantą, o pritaikyti sandarinimo paviršius, elastomerus ir metalines dalis prie skysčio, temperatūros, slėgio ir eksploatavimo sąlygų. Netinkamas derinys gali pagreitinti nusidėvėjimą, sukelti cheminį poveikį ir sutrumpinti sandariklio tarnavimo laiką, dėl to gali atsirasti nuotėkių, prastovų ir pavojų saugai. Šiame straipsnyje paaiškinama, kaip dažniausiai naudojamos medžiagos, tokios kaip silicio karbidas, volframo karbidas, „Hastelloy“, PTFE ir specialūs elastomerai, veikia korozinėje aplinkoje ir kaip jas įvertinti pagal proceso cheminę sudėtį, kad galėtumėte nustatyti tinkamiausią sandariklio konstrukciją savo reikmėms.

Kodėl svarbios medžiagos, skirtos atspariems korozijai mechaniniams sandarikliams

Nurodant akorozijai atsparus mechaninis sandariklisyra vienas iš svarbiausių inžinerinių sprendimų skysčių tvarkymo sistemose.Mechaniniai sandarikliai tarnauja kaip pagrindinis barjerastarp agresyvių proceso skysčių ir išorinės aplinkos, užkertant kelią pavojingoms emisijoms ir apsaugant vidinius siurblio komponentus. Apdorojant labai korozines medžiagas, tokias kaip stiprios rūgštys, šarmai ar agresyvūs tirpikliai, paklaidos riba praktiškai nėra. Medžiaga gali greitai irti, dėl to gali būti prarasta sandarumas, kilti pavojus aplinkai ir smarkiai pažeista įranga.

Pasirinkimo procesas reikalauja išsamaus metalurgijos, tribologijos ir elastomerų chemijos supratimo. Mechaninis sandariklis nėra monolitinis komponentas; tai besisukančių ir stacionarių paviršių, antrinių sandarinimo elementų ir metalinių detalių mazgas. Kiekvienas iš šių komponentų turi atskirai atlaikyti cheminę aplinką, išlaikydamas tikslius mechaninius tolerancijas esant kintančiam slėgiui ir temperatūrai. Netinkamų medžiagų nesuderinimas su konkrečia skysčio chemija smarkiai sumažina vidutinį gedimų laiką (MTBF) ir padidina eksploatavimo riziką.

Proceso chemija, nuotėkio rizika ir prastovų poveikis

Proceso chemija lemia medžiagų degradacijos greitį ir mechanizmą. Pramoniniai skysčiai gali turėti labai aukštus pH lygius – nuo ​​labai rūgštaus (pH < 1) iki labai šarminio (pH > 13), ir kiekvienas jų skirtingai veikia medžiagas. Pavyzdžiui, oksiduojančios rūgštys, tokios kaip azoto rūgštis, gali pasyvuoti tam tikrus nerūdijančius plienus, tačiau greitai sunaikinti standartinius anglies pluošto sandarinimo paviršius. Be to, pėdsakiniai teršalai, kurie dažnai nepastebimi birių skysčių specifikacijose, gali veikti kaip lokalizuotų korozijos mechanizmų, tokių kaip taškinė ar plyšinė korozija, katalizatoriai.

Nuotėkio rizika, susijusi su netinkamu medžiagų pasirinkimu, yra didesnė nei paprastas mechaninis gedimas. Cheminio perdirbimo ir naftos chemijos perdirbimo procesuose lakieji organiniai junginiai (LOJ) ir pavojingi oro teršalai turi būti griežtai kontroliuojami. Aplinkos apsaugos agentūros (EPA) taisyklės dažnai reikalauja, kad siurblių sandariklių išmetamųjų teršalų kiekis neviršytų 500 milijoninių dalių (ppm) ribos. Korozijos sukeltas sandariklio paviršiaus pažeidimas arba elastomero degradacija gali sukelti neatidėliotinus reglamentų pažeidimus, dėl kurių gali prireikti avarinio išjungimo ir privalomo aplinkosaugos ataskaitų teikimo.

Gedimų išlaidos, susijusios su prastu medžiagų suderinamumu

Finansinės prasto medžiagų suderinamumo pasekmės gerokai viršija pradines paties mechaninio sandariklio įsigijimo išlaidas. Kai sandariklis per anksti sugenda dėl cheminio poveikio, tiesiogines pakeitimo išlaidas padidina darbas, reikalingas siurbliui ištraukti, dezaktyvuoti ir vėl sumontuoti. Dar svarbiau, kad netiesioginės išlaidos, susijusios su neplanuotomis prastovomis, gali būti stulbinančios. Didelio našumo nepertraukiamo apdorojimo įrenginiuose netikėtas siurblio gedimas gali sustabdyti gamybos liniją, o prastovų išlaidos svyruoja nuo 10 000 iki daugiau nei 50 000 USD per valandą, priklausomai nuo pramonės šakos ir produkto vertės.

Be to, koroziją sukeliantis nuotėkis gali sukelti šalutinę žalą aplinkinei įrangai. Pažeistas sandariklis leidžia agresyvioms cheminėms medžiagoms paveikti siurblio veleną, guolius ir variklio korpusus. Tai, kas iš pradžių prasideda kaip lokalizuotas sandariklio gedimas, gali greitai peraugti į katastrofišką siurblio gedimą, dėl kurio reikia visiškai atnaujinti guolių rėmą arba pakeisti veleną. Iš anksto investuojant į tinkamas korozijai atsparias medžiagas, net jei tai padidina pradinę komponentų kainą 200–300 %, gaunama žymiai didesnė investicijų grąža (ROI), nes MTBF pailgėja nuo kelių mėnesių iki kelerių metų.

Korozijai atsparių mechaninių sandariklių medžiagų variantai

Norint pagaminti korozijai atsparų mechaninį sandariklį, reikia pasirinkti specializuotas medžiagas trims skirtingoms zonoms: pirminiams sandarinimo paviršiams, metalinėms detalėms (spyruoklėms, pavaros kaiščiams ir liaukoms) ir antriniams sandarinimo elementams (O žiedams ir tarpikliams). Kiekviena zona susiduria su unikaliomis eksploatacinėmis apkrovomis, o tai reiškia, kad medžiaga, kuri puikiai veikia kaip statinis O žiedas, gali būti visiškai netinkama dinaminiam, šilumą generuojančiam sandarinimo paviršiui.

Sandarinimo paviršiaus medžiagos, tokios kaip silicio karbidas

Pirminiai sandarinimo paviršiai yra svarbiausi komponentai, nes jie, sukdamiesi vienas kito atžvilgiu, palaiko mikroskopinę skysčio plėvelę.Silicio karbidas (SiC)yra plačiai laikomas geriausia sandarinimo paviršiaus medžiaga, skirta naudoti esant sunkioms cheminėms medžiagoms. Tiksliau sakant, tiesiogiai sukepintas (alfa) silicio karbidas pasižymi beveik universaliu cheminiu atsparumu esant pH diapazonui nuo 0 iki 14 ir gali atlaikyti darbinę temperatūrą iki 300 °C (572 °F). Skirtingai nuo reakcijos būdu surišto silicio karbido, kuriame yra laisvo silicio, kurį gali išplauti stiprūs šarmai arba vandenilio fluorido rūgštis, alfa sukepintas SiC išlieka struktūriškai stabilus beveik visose agresyviose terpėse.

Kitos paviršiaus medžiagų parinktys yra volframo karbidas (WC) ir įvairios anglies rūšys. Volframo karbidas yra labai patvarus ir atsparus smūgiams, todėl tinka abrazyvinėms suspensijoms, tačiau jo cheminis atsparumas labai priklauso nuo rišiklio. Korozinėje aplinkoje nikeliu surištas volframo karbidas paprastai yra geresnis nei kobaltu surišti variantai, nors stipriose rūgštyse jis vis tiek neprilygsta SiC. Stibiu arba derva impregnuoti anglies paviršiai dažnai naudojami kaip SiC jungiamasis žiedas dėl puikių savaiminio tepimo savybių, jei proceso skystyje nėra stiprių oksidatorių, kurie ardo anglies struktūrą.

Korozijai atsparūs metalai ir lydiniai

Metaliniai sandariklio komponentai, įskaitant liaukos plokštelę, įvorę ir spyruokles, turi būti atsparūs tiek tolygiai korozijai, tiek lokalizuotiems poveikiams, tokiems kaip taškinė korozija ir įtempio korozijos įtrūkimai (SCC). Nors 316 nerūdijantis plienas yra pramonės standartas bendrosios paskirties reikmėms, jis yra labai jautrus chloridų sukeltam taškiniam įtrūkimui. Agresyvioms aplinkoms inžinieriai turi nurodyti aukštesnės kokybės lydinius pagal jų taškinės korozijos atsparumo ekvivalentinį skaičių (PREN). Esant dideliam chloridų ar rūgščių poveikiui, paprastai reikalingas PREN, didesnis nei 40.

„Hastelloy C-276“ (PREN > 45) yra vienas universaliausių nikelio-molibdeno-chromo lydinių, pasižymintis išskirtiniu atsparumu šlapioms chloro dujoms, hipochloritams ir daugeliui organinių bei neorganinių rūgščių. 2 klasės titanas dažnai pasirenkamas oksiduojančioms terpėms ir jūros vandeniui dėl stabilios, apsauginės oksido plėvelės, nors jis yra jautrus sausam chlorui. 20 lydinys yra dar vienas dažnas pasirinkimas, specialiai sukurtas atsparumui sieros rūgšties poveikiui esant aukštai temperatūrai ir koncentracijai.

Elastomerai ir antriniai sandarinimo elementai

Antriniai sandarinimo elementai, paprastai O formos žiedai, užtikrina statinį sandarumą tarp mechaninio sandariklio mazgo ir siurblio korpuso. Elastomero pasirinkimas dažnai yra ribojantis veiksnys, lemiantis sandariklio chemines ir šilumines savybes. Fluorelastomerai (FKM), paprastai žinomi kaip „Viton“ prekės ženklas, yra standartiniai daugeliui silpnų rūgščių ir naftos pagrindo skysčių, tačiau greitai skyla ketonuose, aminuose ir stipriuose šarmuose.

Siekiant ypatingo atsparumo korozijai, reikalingi perfluorelastomerai (FFKM), tokie kaip „Kalrez“ arba „Chemraz“. FFKM junginiai pasižymi beveik identišku cheminiu atsparumu kaip PTFE, tačiau išlaiko elastinę atmintį, būtiną dinaminiam sandarinimui. Jie gali atlaikyti agresyvius tirpiklius, stiprias rūgštis ir bazes esant nuolatinei darbinei temperatūrai iki 327 °C (620 °F). Kai dėl biudžeto apribojimų negalima naudoti viso FFKM, PTFE kapsulėje esantys FKM arba silikoniniai O žiedai yra ekonomiška alternatyva, siūlanti PTFE apvalkalo cheminį inertiškumą su elastomero šerdies mechaniniu atsparumu.

Kaip įvertinti sandarinimo medžiagas atsižvelgiant į eksploatavimo sąlygas

Vertinant sandarinimo medžiagas reikia neapsiriboti pagrindinėmis cheminio suderinamumo diagramomis ir išanalizuoti dinamines darbinės aplinkos sąlygas. Medžiaga, kuri kambario temperatūroje yra chemiškai inertiška, gali greitai suirti, kai ją veikia trinties šiluma, susidaranti sandarinimo paviršiuose, arba kai skysčio koncentracija svyruoja proceso sutrikimų metu. Inžinieriai turi įvertinti visą termodinaminį ir cheminį taikymo apvalkalą.

Darbiniai kintamieji, tokie kaip koncentracija, chloridai ir temperatūra

Temperatūra, koncentracija ir specifinių jonų buvimas drastiškai pakeičia korozijos greitį. Pavyzdžiui, 316 nerūdijantis plienas yra visiškai priimtinas aplinkos temperatūros vandeniui, tačiau jei chloridų koncentracija viršija 1000 ppm, o temperatūra pakyla virš 60 °C (140 °F), medžiaga tampa labai jautri įtempių korozijos įtrūkimams (SCC) ir greitam taškiniam susidarymui. Todėl, kai naudojamas karštas sūrymas arba jūros vanduo, dažnai reikia naudoti superdupleksinį nerūdijantį plieną arba titaną.

Rūgšties koncentracija yra ne mažiau svarbi. Sieros rūgštis pasižymi nelinijiniu korozijos profiliu: praskiesta sieros rūgštis yra labai korozinė daugeliui metalų, todėl jai reikia „Hastelloy“ arba „Alloy 20“, o koncentruotą sieros rūgštį (> 90 %) kartais gali apdoroti standartiniai angliniai plienai aplinkos temperatūroje dėl pasyvuojančios sulfato plėvelės susidarymo. Tačiau, jei koncentruota rūgštis sugeria drėgmę iš oro, lokalizuotas praskiedimas iš karto sukels stiprų korozijos poveikį sandarinimo detalėms.

Esminiai kompromisai ir palyginimo veiksniai

Idealios medžiagos pasirinkimas dažnai apima konkuruojančių mechaninių ir cheminių savybių suderinimą. Nors alfa sukepintas silicio karbidas pasižymi neprilygstamu atsparumu korozijai, jis yra itin trapus. Jei siurblys patiria didelę kavitaciją arba veleno deformaciją, SiC paviršiai gali katastrofiškai sulūžti. Tais atvejais, kai mechaninis smūgis yra pagrindinis rūpestis kartu su korozija, inžinieriai gali ieškoti kompromiso, naudodami atsparesnį, nors ir šiek tiek mažiau chemiškai inertišką volframo karbido paviršių.

Šilumos laidumas yra dar vienas svarbus palyginimo veiksnys. Sandarinimo paviršiai sukuria didelę trinties šilumą, kuri turi būti išsklaidyta į proceso skystį, kad skystis neišgaruotų. SiC pasižymi puikiu šilumos laidumu, todėl šilumą nuo sandarinimo sąsajos pašalina daug greičiau nei aliuminio oksido keramika ar anglis. Ši savybė sumažina terminio šoko riziką ir pailgina antrinių elastomerų tarnavimo laiką.

Kai vieno medžiagos atnaujinimo nepakanka

Tam tikrais ekstremaliais atvejais vieno mechaninio sandariklio metalurgijos ir paviršiaus medžiagų atnaujinimo nepakanka patikimumui užtikrinti. Kai skystis yra itin pavojingas, toksiškas arba linkęs polimerizuotis kontaktuodamas su atmosferos deguonimi, pritaikymui reikalingas...dvigubo mechaninio sandariklio išdėstymasDvigubi sandarikliai naudoja du sandarinimo paviršių rinkinius ir tarp jų įterpia barjerą arba buferinį skystį.

Pagal Amerikos naftos instituto (API) standartinius vamzdynų planus, tokius kaip API 53A arba 54 planas, tarp vidinio ir išorinio sandariklių cirkuliuoja suslėgtas barjerinis skystis. Šio skysčio slėgis palaikomas maždaug 10–15 % (paprastai 1,5–2,0 baro) didesnis nei siurblio įdarinės dėžės slėgis. Kadangi barjerinio skysčio slėgis yra didesnis, bet koks nuotėkis per vidinius sandarinimo paviršius patenka į procesą, užtikrinant, kad korozinis proceso skystis niekada nesiliestų su išorinio sandariklio komponentais ir nepatektų į atmosferą. Ši strategija leidžia išorinio sandariklio įrangą pagaminti iš standartinių, pigesnių medžiagų.

Medžiagų pasirinkimo pirkimo ir atitikties veiksniai

Korozijai atsparių mechaninių sandariklių įsigijimas apima sudėtingų tiekimo grandinių valdymą, ilgų egzotinių medžiagų pristatymo terminų valdymą ir griežtą pramonės atitikties standartų laikymąsi. Netinkamas medžiagų sudėties dokumentavimas ir patikrinimas gali sukelti katastrofiškų gedimų ir didelę teisinę atsakomybę, ypač griežtai reguliuojamuose sektoriuose, tokiuose kaipnafta ir dujos, farmacijos ir cheminio perdirbimo.

Standartai, dokumentacija ir atsekamumas

Didelės rizikos taikymo sritims reikalinga griežta dokumentacija, patvirtinanti, kad nurodytos medžiagos buvo iš tikrųjų naudojamos sandariklio konstrukcijoje. Naftos chemijos pramonėje mechaniniai sandarikliai dažnai turi atitikti API 682 4-ojo leidimo standartus, kuriuose nurodomos konkrečios medžiagų kategorijos skirtingoms eksploatavimo sąlygoms. Taikant vandenilio sulfidą (H2S), metaliniai komponentai turi atitikti NACE MR0175 / ISO 15156, kad būtų išvengta sulfido įtrūkimų dėl įtempių.

Siekdami užtikrinti atsekamumą, pirkimų inžinieriai dažnai reikalauja medžiagų bandymų ataskaitų (MTR) visoms sudrėkintoms metalinėms dalims. Be to, gavę plombą, įmonės gali atlikti teigiamo medžiagos identifikavimo (PMI) bandymus. PMI naudoja rentgeno fluorescencijos (XRF) analizatorius, kad neardomuoju būdu patvirtintų lydinių elementinę sudėtį, užtikrindama, kad tiekėjas netyčia nepakeitė prašomo „Hastelloy C-276“ 304 nerūdijančio plieno.

Tiekėjų pajėgumų ir tiekimo rizikos

Egzotinių lydinių ir didelio našumo elastomerų tiekimas yra susijęs su tam tikra rizika.

Kaip išsirinkti geriausią medžiagų derinį

Svarbiausios išvados

• Svarbiausios išvados ir korozijai atsparaus mechaninio sandariklio pagrindimas
• Prieš įsipareigojant verta patikrinti specifikacijas, atitiktį ir rizikos patikrinimus
• Praktiniai tolesni žingsniai ir įspėjimai, į kuriuos skaitytojai gali kreiptis nedelsdami

Dažnai užduodami klausimai

Kokia sandarinimo paviršiaus medžiaga paprastai yra geriausia korozijai atspariam mechaniniam sandarikliui?

Alfa sukepintas silicio karbidas dažnai yra geriausias universalus pasirinkimas, nes jis geriau nei standartiniai anglies pluošto paviršiai atlaiko daugelį rūgščių, šarmų ir aukštą temperatūrą.

Kada reikėtų vengti volframo karbido arba anglies pluošto paviršių?

Venkite standartinės anglies stipriai oksiduojančiuose arba labai koroziniuose skysčiuose. Būkite atsargūs su volframo karbidu, jei galimas cheminis poveikis; prieš pasirinkdami patikrinkite skysčių suderinamumą.

Ar visi silicio karbido sandarinimo paviršiai yra vienodai atsparūs korozijai?

Ne. Alfa sukepintas SiC paprastai pasižymi geresniu cheminiu atsparumu nei reakcijos būdu surištas SiC, ypač esant stiprioms šarminėms medžiagoms ir kai kurioms agresyvioms cheminėms medžiagoms.

Kokios kitos sandarinimo dalys, be paviršių, turi būti atsparios korozijai?

Taip pat patikrinkite metalines dalis ir elastomerus. Spyruoklės, liaukos ir O formos žiedai turi atitikti proceso skystį, temperatūrą ir slėgį, kitaip sandariklis gali sugesti net ir naudojant aukščiausios kokybės paviršius.

Ar „Victor Seals“ gali padėti pritaikyti korozijai atsparius sandariklius prie originalių įrenginių gamintojų (OEM) siurblių modelių?

Taip. „Victor Seals“ tiekia originalios įrangos gamintojams (OEM) suderinamus ir pakaitinius mechaninius sandariklius daugeliui pramoninių siurblių prekių ženklų, padėdama techninės priežiūros komandoms pasirinkti tinkamas medžiagas koroziją sukeliančioms užduotims.