Эрозионная коррозия: покрытия и другие меры профилактики

Проще говоря, эрозионная коррозия возникает из-за относительного движения между частицами жидкости и твердыми поверхностями в агрессивной среде. Поскольку эта форма коррозии поражает критически важное оборудование в авиационной и других отраслях промышленности, на стадии проектирования необходимы профилактические меры, чтобы свести к минимуму такое ухудшение. Покрытия играют важную роль в минимизации разрушения поверхности из-за эрозионной коррозии.

Эрозионная коррозия – это прежде всего увеличение скорости коррозионного повреждения металлической подложки из-за относительного движения между частицами коррозионно-активной жидкости и твердой поверхностью. В гидравлической системе локализованная турбулентность на более высоких скоростях, инициированная ранним эрозионным изъязвлением , возникающим на внутренних поверхностях трубы, может вызвать быстрое увеличение скорости эрозии-коррозии и, в конечном итоге, привести к опасным утечкам. Ситуация может усугубиться из-за неправильного монтажа и несовершенства изготовления. Поскольку первоначальная эрозия приводит к потере защитной пленки, присутствующей на поверхности металла, со временем будет наблюдаться очень высокая скорость коррозии . Эрозия также может возникнуть, даже если жидкость в основном статична, а движущиеся части оборудования частично или полностью погружены в жидкость.

Нефтяные и газовые скважины, перекачивающие сырую нефть с песком, часто сталкиваются с проблемой эрозионного повреждения трубопроводов и компонентов оборудования. Эрозионная коррозия часто наблюдается на алюминиевых и медных сплавах. При некотором пороговом значении скорости жидкости частицы жидкости начинают разрушать защитную пленку, и коррозия начинается с быстрой скоростью. Эти более легкие сплавы образуют защитную пленку в умеренно влажной и подверженной коррозии среде. Существует предельное значение скорости жидкости, выше которого эрозионное повреждение и связанная с ним коррозия ускоряются очень быстро. Этот тип коррозии, вызванный скоростью частиц, обычно называют «эрозионной коррозией», которая включает в себя электрохимическое растворение металла и механическое воздействие из-за столкновения частиц. Жидкость в этом случае включает в себя как жидкости, так и газы.

Механизм эрозионной коррозии

Механизм эрозии-коррозии можно объяснить следующим образом:

• Массовый транспортный тип потери металла, или
• Фазово-транспортный тип потери металла.

При массопереносном типе потери металла скорость конвективного переноса массы на границе раздела металл-жидкость определяет скорость эрозионной коррозии. Например, когда сталь ухудшается из-за потока воды, содержащей растворенный кислород, конвективный поток кислорода определяет первоначальные потери металла, а скорость диффузии кислорода в слой ржавчины определяет последующие потери металла. В таких случаях потеря металла обычно равномерна по всей поверхности.

В случае фазового типа потери металла скорость смачивания подложки жидкой фазой и паровой фазой коррозионной жидкости будет определять потерю металла. Смачивание определяется скоростью потока паровой фазы и жидкой фазы жидкости. Например, в случае труб котла на электростанции водная фаза отделяется от паровой фазы, а турбулентность потока увеличивает эрозионную коррозию в определенных зонах котла.

Первоначальное воздействие на защитные пленки или слои покрытий полностью вызвано скоростью и турбулентностью потока и частиц загрязняющих веществ. Это может произойти только тогда, когда скорость жидкости превысила критическое значение. Создаваемый потоком ущерб дополнительно создает дополнительные локальные скачки давления и высокие напряжения сдвига на поверхности. Ухудшение состояния усугубляется разрывом пузырьков и движением песчаных частиц и паров горячего газа.

Эрозионная коррозия влияет на критически важное оборудование предприятия, такое как:

• Компоненты двигателя внутреннего сгорания
• Газовые компрессоры
• Промышленные воздуходувки и высокоскоростные вентиляторы
• Авиационная техника
• Морское оборудование
• Морские системы добычи нефти и газа
• Теплообменники
• Гидравлические компоненты
• Автомобильное и горнодобывающее оборудование
• Химические заводы
• Энергетическое оборудование

Внутри газотурбинных компрессоров самолетов эрозионная коррозия может вызвать снижение эффективности из-за снижения степени сжатия. На выработку электроэнергии паровыми турбинами может повлиять эрозионная коррозия из-за попадания капель воды на лопатки ротора турбин. Высокотемпературные турбодетандеры, предназначенные для рекуперации энергии, страдают от попадания частиц, что приводит к снижению эффективности турбины.

Эрозия из-за кавитации

Разрушение вследствие кавитации можно рассматривать как особую категорию эрозионной коррозии. Это результат схлопывания и бомбардировки пузырьков пара на металлических поверхностях компонентов и внутренней периферии труб и трубок. Зоны низкого давления, создаваемые на всасывании насоса, входах гидропривода и других точках контура, вызывают образование пузырьков пара , которые впоследствии схлопываются в точке увеличения давления жидкости из-за уменьшения внутреннего диаметра трубы. Давление, при котором жидкость испаряется, зависит от температуры и свойств жидкости.

Кавитация вызывает резкое разрушение защитных пленок из-за схлопывания пузырьков пара в жидкости. Эти взрывы могут вызвать сильную вибрацию и сильные ударные волны. Эти поверхностные повреждения в непосредственной близости могут выглядеть как ямки с острыми краями.

Износ наблюдается в деталях и узлах компонентов высокоскоростной гидроэнергетической системы, таких как насосные элементы, рабочие колеса, трубы, регулирующие клапаны, отводы труб, а также тройники и элементы привода.

Инженерный подход к предотвращению эрозионной коррозии

Корректирующий и профилактический подход может включать следующее:

• Модификации конструкции для обеспечения минимальной турбулентности потока жидкости, такие как:
• Увеличение диаметра всасывающей трубы насоса, где это возможно (для уменьшения образования пузырьков), а также внутренних диаметров других труб и трубок.
• Уменьшение длины всасывающей трубы для уменьшения перепадов давления.
• Перепроектировать систему, чтобы уменьшить скорость потока и турбулентность; Обеспечьте положительную положительную высоту всасывания.
• Уменьшите количество соединений труб на стороне всасывания.
• Усилия по техническому обслуживанию для контроля утечек жидкости из соединений, в частности утечек со стороны всасывания; используйте соответствующие уплотнения и упаковку.
• Контролируйте попадание твердых частиц, влаги и пузырьков воздуха.
• Используйте сетчатые фильтры и кондиционеры (центрифуги), чтобы свести к минимуму количество загрязнений в жидкостях.
• При необходимости установите охладители жидкости.
• Дайте жидкости отстояться в отстойнике, чтобы можно было удалить воду и воздух, а также отделить осадок и эмульсию, если таковые имеются.
• Выбирайте устойчивые к эрозии и коррозии материалы, совместимые с окружающей средой.
• Используйте покрытия и другие виды обработки поверхности.
• Подумайте о католической защите от коррозии.

Когда мы принимаем любую комбинацию решений, нам необходимо учитывать общее влияние решения и долгосрочные последствия для производительности и экономической эффективности.

• Обычно рекомендуется обеспечить ламинарный поток в системах. Грубые внутренние поверхности и ограничения способствуют турбулентности. Внезапных изменений направления потока можно избежать.
• Подводящие и обратные трубы к резервуарам следует располагать таким образом, чтобы поток не попадал на стенки резервуара.
• При необходимости можно использовать перегородки .
• Выравнивание труб и фитингов должно быть точным.
• Отражательные пластины, выдерживающие воздействие частиц, должны легко заменяться.
• Магнитные пробки можно использовать для отделения частиц железа и стали в жидкостях.
• Водоотделители могут использоваться в системе подачи сжатого воздуха, чтобы обеспечить отделение влаги от сжатого воздуха и контролировать эрозионную коррозию компонентов системы.

Рекомендации по нанесению покрытия

При использовании покрытия в качестве профилактического решения необходимо изучить совместимость покрытия с используемой жидкостью и поверхностями. Слои покрытий, нанесенные в заводских условиях, необходимо дополнять нанесением покрытий на месте. При выборе покрытия следует учитывать следующие факторы:

• Сила столкновения частиц
• Угол удара
• Коррозионная среда
• Обеспечение защиты от эрозии
• Размер частиц, вызывающих эрозию
• Температурная возможность принятия решения о пригодности процесса нанесения покрытия
• Другие свойства подложки

Технику нанесения выбирают исходя из:

• Свойства подложки
• Требуемая толщина покрытия
• Маскировка основания перед нанесением покрытия
• Экономика и единовременная стоимость процесса

Испытание покрытий

Эрозионно-коррозионное покрытие обычно проверяют и испытывают на предмет:

1. Эрозионная стойкость согласно ASTM G76.
2. Устойчивость к истиранию по результатам теста Табера, моделирующего истирание.
3. Испытание струей песка на эрозионную стойкость частиц песка
4. Измерение водоструйной эрозии
5. Испытания на эластичность, такие как испытания на микропроникновение и ударные испытания.
6. Равномерность толщины покрытия
7. Устойчивость к кавитационной эрозии согласно ASTM G32.
8. Отпуск покрытия , если таковой имеется
9. Прочность сцепления покрытия
10. Плотность материала покрытия
11. Твердость пленки покрытия

Карбидные и нитридные покрытия

Покрытия, наносимые на прецизионные детали, включают:

• Покрытия из карбида вольфрама
• Покрытия из карбида хрома
• Покрытия из нитрида титана

Карбиды обычно используются для обеспечения стойкости к окислению, а также устойчивости к эрозии и коррозии. Методы газопламенного напыления используются для нанесения карбида вольфрама на металлы в виде пористого покрытия. Пористость заполняется керамикой или полимерами. Технология высокоскоростного газопламенного напыления также используется для нанесения покрытия из карбида вольфрама на поверхности компонентов. Сверхзвуковой газовый поток при повышенных температурах используется для создания толстого слоя на подложке детали. Это покрытие можно отшлифовать и довести до сверхтонкого полированного слоя.

Метод плазменного покрытия также используется для твердых покрытий из карбида вольфрама и керамики. В этом методе аргон частично ионизируется электрической дугой, в результате чего образуется поток горячего газового пламени. Порошок карбида вольфрама или керамический порошок подается в пламя горячего газа. Пистолетом для плазменного нанесения покрытия можно управлять с помощью электронных контроллеров или роботов в зависимости от конфигурации покрываемого компонента.

• Нитрид титана используется в самолетах и ​​космических кораблях для защиты от малоугловой эрозии.
• Покрытия из карбида хрома используются для защиты от эрозии при очень высоких температурах.
• Покрытия из карбида вольфрама обеспечивают защиту от эрозии и коррозии при более высоких температурах в экстремальных условиях эрозии.

Керамические покрытия

Керамические покрытия из оксида алюминия, а также керамические покрытия из оксида хрома используются в качестве экономичной альтернативы для защиты от эрозии сплавов легких металлов. Керамика из оксида циркония используется при высоких температурах, например, в наконечниках лопаток горячих газовых турбин, для защиты от эрозионной коррозии.

Керметные покрытия используются для борьбы с эрозией паровых турбин и проблемой загрязнения компрессоров, работающих с этиленовыми газами. Закаленные алюминиево-керамические покрытия используются для минимизации эрозии твердых частиц в водной среде. Специально разработанные керамические покрытия обладают коррозионной стойкостью к химическим веществам, работающим при более высоких температурах в химической и других обрабатывающих отраслях.

Полимерно-алюминиево-керамические покрытия широко применяются в авиации. Они обеспечивают защиту от дождевой эрозии поверхностей из алюминиевых сплавов. Они также служат заменой твердых анодированных слоев. Они эффективны против капельной коррозии и эрозии и наносятся в качестве герметизированных покрытий. Взамен диффузных покрытий из кадмия-никеля для покрытия элементов газового тракта летательных аппаратов применяются гладкие аэродинамически герметичные керамико-алюминиевые покрытия.

Системы металло-алюминиево-керамических покрытий, наносимые вместо кадмирования на стальные поверхности, обеспечивают защиту от эрозии в сильнокислой химической среде, например, в случае газа SO 2 . Их используют в качестве покрытий на высокопрочных сталях, а также алюминиевых сплавах.

Дисульфид молибдена (MoS 2 ) используется для защиты от эрозии и противозадирных свойств. Металлонаполненные полимеры используются для защиты от эрозии и коррозии поверхностей из алюминиевых и магниевых сплавов.

Эпоксидная система с керамическим наполнением

Эпоксидные смолы производятся путем смешивания различных видов сырья для создания эпоксидной системы с необходимыми свойствами, такими как:

• Прочность пленки
• Адгезия
• Время отверждения
• Гибкость
• Водонепроницаемый
• Устойчивость к истиранию
• Химическая устойчивость

Молекулы эпоксидной группы и аминогруппы должны вступить в реакцию друг с другом, чтобы образовать систему термореактивной сшитой смолы .

Эпоксидные смолы с керамическим наполнителем используются в качестве покрытий в химической промышленности для защиты поверхностей, склонных к сильной эрозионной коррозии. Такие покрытия содержат твердые частицы керамики в эпоксидных связующих, создавая керамические композиты, обладающие превосходной химической стойкостью и механическими свойствами. Эти твердые керамические частицы в покрытиях трутся о занесенные в жидкости загрязнения, не подвергаясь эрозии, что обеспечивает длительный срок службы покрытия и подложки.

Ограничением эпоксидного покрытия с керамическим наполнителем является проблематичный метод его нанесения. Обычно он не поддается распылительной системе нанесения. Используемые эпоксидные смолы и отвердители могут вызывать коррозию или прилипать к коже. Следовательно, при работе с эпоксидными смолами и покрытиями следует использовать перчатки из нитрилового каучука (наряду с защитным кремом и хлопчатобумажной тканью под перчатками).

Эпоксидные смолы также используются для защиты от высокотемпературной эрозии в авиационной, нефтегазовой, химической, автомобильной и других важных обрабатывающих отраслях. Керамические микросферы, заполненные эпоксидной смолой, обеспечивают прочность и исключительную адгезию к металлическим поверхностям, хорошую коррозионную стойкость, а также защиту от истирания и эрозии.

Они также используются на море для уменьшения эрозии балласта и водяных цистерн. Запатентованные составы эпоксидных покрытий, нанесенные на компоненты насосов, внутренние поверхности трубопроводов и клапанов, предназначены для повышения эффективности перекачивания за счет обеспечения плавного потока и снижения потерь из-за эрозии и местной турбулентности. Специально разработанные эпоксидные системы используются для покрытия деталей, которые постоянно находятся в химикатах при повышенных температурах.

Металлокерамические композиты также используются для восстановления ценных корродированных и эродированных металлических компонентов. Ремонт позволяет восстановить изношенные двигатели, коробки передач, подшипники, блоки цилиндров, гильзы, кожухи и фланцы.

Полиуретаны и другие покрытия

Полиуретановые покрытия используются для покрытия ударных зон самолетов, а также передней кромки. Они эффективны против дождевой эрозии, а также песчаной эрозии. Они также устойчивы к гидравлическим жидкостям на основе эфиров фосфорной кислоты и некоторым противообледенительным химикатам. Для дорожек также используются специальные полиуретановые покрытия.

Для обеспечения чрезвычайной химической стойкости, необходимой в химической и нефтехимической промышленности, применяются фторполимерные покрытия , такие как этилен-хлор-трифторэтилен (ECTFE).

Покрытия для кавитации

Во многих системах обработки жидкостей кавитация также способствует потере металла наряду с обычной эрозией твердых частиц. Гибкие покрытия из полиуретана или гибких эпоксидных смол, нанесенные на металлические компоненты, уменьшают кавитационную коррозию, поглощая энергию, выделяющуюся при схлопывании пузырьков и скачках давления.

Заключение

Системный инженерный подход необходим для решения проблем, связанных с эрозионной коррозией критически важного оборудования. Модификация конструкции может минимизировать турбулентность потока и в большинстве случаев минимизировать эрозию и кавитацию. Выбор подходящих покрытий может свести к минимуму повреждение поверхности из-за эрозионной коррозии и обеспечить долгий срок службы оборудования.