Стратегический выбор материалов: обеспечение дизайна, стоимости и долговечности

Выбор материалов — основной метод контроля коррозии в инженерном проектировании. Играет роль в эффективной оценке затрат проекта, графике строительства и безопасной эксплуатации.

Фундаментальные концепции выбора материалов включают:

• Типы материалов: охватывает широкий спектр доступных материалов для выбора.
• Свойства материалов: касается изучения механических, физических и коррозионно-стойких свойств, удовлетворяющих требованиям конкретных применений.
• Экономика материалов: касается затрат владения, капитальных, эксплуатационных и обслуживания для различных материалов.

Обзор распространенных материалов

Существует множество инженерных материалов в отрасли. Рассмотрим свойства некоторых из самых распространенных.

Углеродистые стали

Углеродистая сталь — семейство железо-основных металлов с менее 2% углерода. Углеродистые стали — наиболее используемые материалы благодаря легкости фабрикации, низкой стоимости, доступности и высокой прочности. Используются в широком диапазоне применений: от структурных компонентов до высокодавленного оборудования.

Углеродистые стали, легированные незначительными добавками хрома, молибдена,ванадия и ниобия, считаются низколегированными сталями. Легирующие элементы образуют карбиды в микроструктуре, повышая прочность и надежность при высоких температурах, например в котлах ТЭЦ.

При субнулевых температурах углеродистые стали имеют меньшую вязкость, поэтому добавляют никель для поддержания вязкости. С большими количествами никеля диапазон низких температур расширяется, особенно для применений с жидкими газами для предотвращения хрупкого разрушения в оборудовании СПГ и СНГ.

Чугун

Чугун — железо-основной металл с более 2% углерода. Дешевый и не требует дополнительной обработки для снижения углерода. Однако он хрупкий и имеет ограниченную свариваемость. Используется для некритичных деталей в водяных насосах и трубах, коррозионная стойкость аналогична углеродистым сталям. Серый чугун и нодулярный/дуктильный чугун — наиболее распространенные типы.

Нержавеющая сталь (НС)

Нержавеющая сталь — тип стали с хромом не менее 11% в комбинации с никелем, молибденом и азотом. Нержавейки надежно используются в коррозионных средах в энергетике, химии и нефтехимии. Существует несколько типов в зависимости от легирующих элементов и микроструктуры.

Читайте: Введение в нержавеющие стали

Ферритные нержавеющие стали
Самые экономные типы с очень низким содержанием никеля. Восприимчивы к сенсибилизации и трудносвариваемы, поэтому используются для неварных компонентов. Несмотря на умеренную коррозионную стойкость, устойчивы к хлоридному напряженному коррозионному трещинованию (SCC).

Мартенситные нержавеющие стали
Низкое содержание никеля, сферы применения похожи на ферритные. Высокая прочность, многие трубопроводы изготавливаются из мартенситных нержавейки. Высокая твердость делает их предпочтительными против эрозии.

Аустенитные нержавеющие стали
Наиболее широко используемые в промышленности. С более высоким никелем имеют хорошую коррозионную стойкость и легко фабрицируются. Существуют разные марки для выбора в зависимости от коррозионной агрессивности среды. Некоторые низколегированные марки имеют низкую стойкость к хлоридному SCC. Аустенитные нержавейки широко используются в криогенических применениях.

Читайте: 12 вещей, которые нужно знать об аустенитной нержавеющей стали

Дуплексные нержавеющие стали
Имеют двойную микроструктуру: ферритную и аустенитную, с комбинированными свойствами. Высокая прочность и очень хорошая коррозионная стойкость, особенно против хлоридного SCC, делают их хорошими для оффшорных применений. Однако дуплексные нержавейки наследуют более низкую прочность ферритной фазы.

Выпадение-отвердевшие нержавеющие стали
Имеют высокую прочность и вязкость от аустенитных, полуаустенитных или мартенситных микроструктур в зависимости от термической обработки. Несмотря на хорошую свариваемость, применения ограничены, например высокопрочные пружины.

Сплавы

Сплав комбинирует разные металлы, позволяя различные свойства. Вот некоторые из самых распространенных сплавов и их ключевые характеристики.

Никелевые сплавы

Никелевые сплавы имеют исключительную коррозионную стойкость, но дороги из-за высокого содержания никеля, обычно добавляемого в комбинации с другими легирующими элементами вроде молибдена. Существует много типов никелевых сплавов, обозначенных торговыми марками: Hastelloy, Incoloy, Monel и др. Эти названия относятся к истекшим патентам, но наследие именования остается. Никелевые сплавы устойчивы к хлоридному SCC и сульфидному SCC.

Вебинар: Коррозионная стойкость никелевых сплавов

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы имеют хорошее соотношение прочность/вес и хорошую коррозионную стойкость. Однако восприимчивы к гальванической коррозии при контакте с железо-основанными металлами. Так как алюминий имеет низкую температуру плавления, применение ограничено низкотемпературными использованиями. Благодаря отличной тепловой производительности и сохранению дуктильности, алюминиевые сплавы используются в криогенических применениях, например теплообменники в СПГ отрасли.

Медные сплавы

Медные сплавы обычно используются в морских средах и теплообменниках. Имеют высокую стойкость к биофоулингу, особенно микрофоулингу, и застарелым условиям, вызывающим локализованную коррозию, а также коррозию от чрезмерного течения. Некоторые медные сплавы восприимчивы к SCC в средах с аммиаком.

Титановые сплавы

Титановые сплавы имеют хорошее соотношение прочность/вес и высокую коррозионную стойкость в высоких хлоридных средах. Однако дороги и трудны в фабрикации. Нелегированный титан обычно используется в промышленности и более экономен, чем другие марки титана.

Читайте: 5 вещей, которые нужно знать и понимать о коррозии титана

Керамика

Из-за своей хрупкой натуры — и несмотря на высокую коррозионную стойкость — керамика не используется в давление-содержащем оборудовании. Керамика используется в высокотемпературном оборудовании и деталях, таких как огнеупоры, и для защиты от износа. Керамика для огнеупоров обычно состоит из комбинации оксидов алюминия, магния и кремния. Для износостойкости — карбиды или нитриды.

Полимеры

Полимеры используются как термопласты, термореакты и эластомеры. Большинство полимеров очень коррозионно-стойки, даже более, чем многие коррозионно-стойкие сплавы. Полимеры, однако, имеют низкую прочность, низкие температуры плавления и ограниченную УФ-стойкость. В коррозионных высокодавленных применениях полимеры могут использоваться как коррозионно-стойкие подкладки на металлических поверхностях. HDPE, PVC, PTFE — примеры термопластов, но несмотря на принадлежность к одной группе, имеют разные свойства и применения. Термореакты обычно не используются как твердые материалы, а как покрытия или в матрице композита. Эластомеры имеют уникальные механические свойства и используются для уплотняющих компонентов во многих давящихся применениях.

Читайте: Коррозия полимерных материалов

Композиты

Композиты — комбинация двух или более материалов для достижения свойств обоих и оптимальных характеристик для конкретного применения. Наиболее распространенные в промышленности композиты комбинируют стекловолокно, усиленное в полимерной матрице, и сталь, усиленную в бетонной матрице. Воколок дает высокую прочность, матрица — вязкость, распределяя напряжения равномерно. Усиливающее волокно может быть из стекла, металла, углерода и других полимеров вроде арамида. Е-стекло — распространенное волокно, есть другие типы стекла для разных применений: С-стекло для химической стойкости, R-стекло для усталостной стойкости. Термореактивный полимер — распространенная матрица композита, легко производимая, с хорошими механическими и коррозионно-стойкими свойствами. Термопластический полимер менее распространен как матрица и склонен использоваться для навиваемых труб из-за высокой дуктильности.

Сталь, усиленная бетоном — жизненно важный структурный материал, коррозия стали происходит в коррозионных средах, таких как морская вода и сточные воды. Покрытия, катодная защита, использование нержавеющих сталей применяются для митигации коррозии.

Факторы, учитываемые при выборе материалов

В общем, основные факторы, рассматриваемые для материалов, включают, но не ограничиваются:

• Механические свойства
• Коррозионные свойства
• Общая стоимость владения
• Доступность
• Легкость фабрикации

Для несущих применений механические свойства проверяются для обеспечения структурной целостности. Механические свойства инженерных материалов сильно варьируют в зависимости от микроструктур, химического состава и производственных процессов. Разновидности стандартизированы международно или локально регулирующими органами: ASTM, ISO, JIS. Базовые механические свойства включают:

• Предельную прочность на разрыв
• Ударную вязкость
• Относительное удлинение
• Твердость
• Усталостную прочность
• Вязкость на разрушение
• Ползучесть
• Другие факторы в зависимости от конкретного применения

Свойства обычно получают из деструктивных испытаний образцов из производственных процессов, результаты указаны в сертификатах материалов. Специализированное механическое тестирование проводится заранее для избежания споров между покупателями и производителями.

Материалы деградируют со временем под воздействием среды, называемой коррозией. Экологическая коррозионность варьируется в зависимости от природы среды, выбранных материалов и применения. Материалы должны выбираться правильно для обеспечения надежности и безопасной эксплуатации в течение срока службы.

Коррозия может быть индуцирована атмосферой, почвой, водой, химикатами, нефтью и газом, микроорганизмами и разными корродирующими агентами, вызывающими разные типы коррозии. Выбор материалов для митигации коррозии обычно использует:

• Термодинамические диаграммы/карты коррозии
• Коррозионные модели
• Таблицы химической совместимости
• Лабораторное тестирование (потенциодинамическая поляризация, иммерзия, электрохимическая импедансная спектроскопия, SCC)
• Рекомендации лицензиаров технологий
• Операционную обратную связь

Термодинамические диаграммы/карты коррозии

Диаграммы/карты коррозии основаны на сборе данных из лабораторных испытаний и/или полевой производительности. Собираемые данные основаны на параметрах, изучаемых в лабораторных или полевых тестах.

Коррозионные модели

Коррозионные модели используются для предсказания скоростей коррозии на основе эмпирических формул. Модели используются в виде проприетарных программ или эксель-таблиц с вводными параметрами. Существуют модели для CO₂ коррозии, кислородной коррозии и скорости роста трещин. Точность моделей может варьироваться, так как не все коррозионные параметры могут быть включены в модели, эмпирически генерируемые из экспериментальных данных.

Таблицы химической совместимости

Таблицы/карты химической совместимости — качественные инструменты для определения совместимости между экологическими условиями и выбранными материалами для применения. Для некоторых ситуаций требуются дополнительные исследования и тестирования для лучшего определения совместимости выбранного материала.

Лабораторное тестирование

Лабораторное тестирование проводится для случаев, когда нужны аналитические данные для оценки производительности выбранных материалов в смоделированных экологических условиях. Экологические условия, лабораторные установки и экспериментальные условия устраиваются в стандартизированной лабораторной среде для обеспечения представитивности полученных данных для эффективного и подходящего выбора материалов.

Рекомендации лицензиаров технологий

Некоторые процессные технологии проприетарны, ноу-хау принадлежит лицензиарам. Материалы, выбранные лицензиарами, часто представляют минимальные требования для гарантийных целей.

Операционная обратная связь

Операционная обратная связь от реального опыта ценна, так как предлагает реальные полевые данные. Исторический сбор данных (изменения операционных параметров, сертификаты материалов, WPS/PQR, отчеты инспекций, отчеты анализа отказов и др.) критически важны для гарантии подходящего выбора материалов.

Оценка стоимости решений по выбору материалов

Стоимость — главное соображение для выбора материалов, и баланс капитальных затрат (CAPEX) и операционных расходов (OPEX) критичен. Материаловеды и инженеры по коррозии должны выбирать материалы, удовлетворяющие соображениям бюджета и затрат, а также производительности. Значение CAPEX кроется не только в объемных выбранных материалах, но также в процессах фабрикации и формах продукции. Влияние OPEX кроется в ремонте и замене корродированных материалов, контроле коррозии, мониторинге коррозии и инъекции ингибиторов коррозии. Использование углеродистой стали может быть низким CAPEX, но высоким OPEX, а нержавейка влияет наоборот.

Доступность материалов также играет решающую роль, особенно по графику проекта. Использование проприетарных материалов может занимать больше времени на доставку из-за ограничений поставщиков, малых объемов или запасов, требующих минимальных заказов, что может увеличить стоимость.

Труднофабрикуемые материалы могут существенно влиять на график проекта, если не запланированы рано, особенно при больших объемах. Например, материалы, требующие послесварочного теплового лечения (PWHT), могут требовать тысячи сварных швов на нефтегазовых объектах, а также тысячи человеко-часов для выполнения требований PWHT. Трудносвариваемые материалы могут замедлять скорости сварки и повышать частоту ремонтов.

Заключение

Выбор материалов включает сложные процедуры, требующие понимания восприимчивости к отказам и методов контроля коррозии, а также сотрудничества между различными инженерными дисциплинами.