Углубленный взгляд на выбор материалов

Выбор материалов является основным методом защиты от коррозии в инженерном проектировании. Он играет важную роль в эффективной оценке стоимости проекта, составлении графика строительства и безопасной эксплуатации.

К основным понятиям выбора материалов относятся:

• Типы материалов :это охватывает широкий спектр доступных материалов, которые можно выбрать.
• Свойства материала :Это относится к изучению механических, физических свойств и свойств коррозионной стойкости, которые соответствуют требованиям для конкретных приложений/использований.
• Экономика материалов: Это относится к стоимости владения, капитала, обслуживания и эксплуатации различных материалов.

Обзор общих материалов

В промышленности много инженерных материалов. Здесь мы рассмотрим свойства некоторых из наиболее распространенных.

Углеродистая сталь

Углеродистая сталь относится к семейству металлов на основе железа с содержанием углерода менее 2%. Углеродистые стали являются наиболее используемыми материалами благодаря простоте изготовления, низкой стоимости, доступности и высокой прочности. Углеродистые стали используются в самых разных областях:от конструкционных элементов до оборудования, работающего под высоким давлением.

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

При отрицательных температурах углеродистые стали имеют меньшую ударную вязкость, поэтому для поддержания ударной вязкости добавляют никель. С более высоким содержанием никеля диапазон более низких температур увеличивается, особенно для применений с жидкими газами, чтобы предотвратить хрупкие разрушения в оборудовании, работающем на сжиженном природном газе (СПГ) и сжиженном нефтяном газе (СНГ).

Чугун

Чугун представляет собой металл на основе железа с содержанием углерода более 2%. Он дешев и не требует дополнительной обработки для снижения содержания углерода. Однако он хрупок и имеет ограниченную свариваемость. Он используется для некритических деталей водяных насосов и труб и обладает коррозионной стойкостью, аналогичной углеродистой стали. Серый чугун и чугун с шаровидным графитом/ковкий чугун являются наиболее распространенными типами чугуна.

Нержавеющая сталь (SS)

Нержавеющая сталь — это тип стали с содержанием хрома не менее 11% в сочетании с никелем, молибденом и азотом. Нержавеющие стали надежно используются в агрессивных средах в различных отраслях энергетики, химической и нефтехимической промышленности. Существует несколько типов нержавеющей стали, в зависимости от содержания легирующих элементов и микроструктуры.

Читать: Введение в нержавеющие стали

Ферритные нержавеющие стали
Ферритные нержавеющие стали являются наиболее экономичными и имеют очень низкое содержание никеля. Они подвержены сенсибилизации и плохо поддаются сварке, поэтому используются для несварных компонентов. Несмотря на умеренную коррозионную стойкость, ферритные нержавеющие стали устойчивы к коррозионному растрескиванию под напряжением под действием хлоридов (SCC).

Мартенситные нержавеющие стали
Мартенситные нержавеющие стали имеют низкое содержание никеля, а диапазон их применения аналогичен диапазону применения ферритных нержавеющих сталей. Они обладают высокой прочностью, и многие трубопроводы изготавливаются из мартенситных нержавеющих сталей. Их высокая твердость делает их предпочтительными для использования против эрозии.

Аустенитные нержавеющие стали
Аустенитные нержавеющие стали являются наиболее часто используемыми нержавеющими сталями в промышленности. С более высоким содержанием никеля они обладают хорошей коррозионной стойкостью и легко изготавливаются. Существуют различные марки аустенитных нержавеющих сталей на выбор в зависимости от коррозионной активности окружающей среды. Некоторые низколегированные марки имеют низкую стойкость к SCC хлоридов. Аустенитные нержавеющие стали широко используются в криогенных приложениях.

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

Дуплексные нержавеющие стали
Дуплексные нержавеющие стали имеют двойную микроструктуру, ферритную и аустенитную, с комбинированными свойствами. Они обладают высокой прочностью и очень хорошей коррозионной стойкостью, особенно к SCC с добавлением хлоридов, что делает их подходящими для использования в морских условиях. Однако дуплексные нержавеющие стали обладают меньшей прочностью, чем ферритная фаза.

Нержавеющая сталь с дисперсионной закалкой
Дисперсионно-твердые нержавеющие стали обладают высокой прочностью и ударной вязкостью, имеют аустенитную, полуаустенитную или мартенситную микроструктуру, в зависимости от термической обработки. Хотя они хорошо поддаются сварке, их применение ограничено, например, для высокопроизводительных пружин.

Сплавы

Сплав сочетает в себе разные металлы, что позволяет получить разные свойства. Вот некоторые из наиболее распространенных сплавов и их основные характеристики.

Никелевые сплавы

Никелевые сплавы обладают исключительной коррозионной стойкостью, но они дороги из-за высокого содержания никеля, который обычно добавляют в сочетании с другими легирующими элементами, такими как молибден. Существует много типов никелевых сплавов, которые обозначаются торговыми марками, такими как Hastelloy, Incoloy, Monel и т. д. Эти названия относятся к патентам с истекшим сроком действия, но наследие именования остается. Никелевые сплавы устойчивы к SCC с хлоридной и сульфидной добавками.

Веб-семинар: Коррозионная стойкость никелевых сплавов

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы имеют хорошее отношение прочности к весу и хорошую коррозионную стойкость. Однако они подвержены гальванической коррозии при контакте с металлами на основе железа. Поскольку алюминий имеет низкую температуру плавления, применение алюминиевых сплавов ограничено низкотемпературным использованием. Благодаря своим превосходным тепловым характеристикам и сохранению пластичности алюминиевые сплавы используются в криогенных устройствах, таких как теплообменники в отрасли СПГ.

Медные сплавы

Медные сплавы обычно используются в морской воде и теплообменниках. Они обладают высокой устойчивостью к биологическому обрастанию, особенно к микрообрастанию, и застойным условиям, которые могут вызвать локальную коррозию, а также коррозию, связанную с чрезмерным потоком. Некоторые медные сплавы подвержены SCC в средах, содержащих аммиак.

Титановые сплавы

Титановые сплавы имеют хорошее отношение прочности к весу и высокую коррозионную стойкость в средах с высоким содержанием хлоридов. Однако они дороги и сложны в изготовлении. Нелегированный титан широко используется в промышленности и более экономичен, чем другие марки титана.

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

Керамика

Из-за своей хрупкости и, несмотря на высокую коррозионную стойкость, керамика не используется в оборудовании, работающем под давлением. 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 обеспечения износостойкости керамика состоит из карбидов или нитридов.

Полимеры

Полимеры используются в качестве термопластов, термореактивных материалов и эластомеров. Большинство полимеров очень устойчивы к коррозии, даже в большей степени, чем многие коррозионностойкие сплавы. Однако полимеры имеют низкую прочность, низкую температуру плавления и ограниченную стойкость к ультрафиолетовому излучению. В агрессивных средах с высоким давлением полимеры могут использоваться для коррозионно-стойких покрытий на металлических поверхностях. ПЭВП, ПВХ и ПТФЭ являются примерами термопластов, но, несмотря на то, что они относятся к одной группе, они имеют разные свойства и области применения. Термореактивные материалы обычно используются не как твердые материалы, а как покрытия или в матрице композита. Эластомеры обладают уникальными механическими свойствами и используются для герметизации компонентов во многих устройствах, работающих под давлением.

Читать: Коррозия полимерных материалов

Композиты

Композиты представляют собой комбинацию двух или более материалов для достижения обоих свойств и, следовательно, оптимальных характеристик для определенного применения. Наиболее распространенные в промышленности композиты сочетают в себе стекловолокно, армированное в полимерной матрице, и сталь, армированную в бетонной матрице. Волокно придает высокую прочность, а матрица придает ударную вязкость, равномерно распределяя нагрузку. Армирующее волокно может быть изготовлено из стекла, металла, углерода и других полимеров, таких как арамид. E-стекло является широко используемым волокном, и существуют другие типы стекол, подходящие для различных применений, например, C-стекло для химической стойкости или R-стекло для сопротивления усталости. Термореактивный полимер представляет собой широко используемую композитную матрицу, простую в изготовлении и обладающую хорошими механическими и коррозионно-стойкими свойствами. Термопластичный полимер не так широко используется, как термореактивный полимер, и, как правило, используется для наматывания труб из-за его высокой пластичности.

Бетон, армированный сталью, является жизненно важным конструкционным материалом, и коррозия стали происходит в агрессивных средах, таких как морская вода и сточные воды. Покрытия, катодная защита и использование нержавеющей стали используются для уменьшения коррозии.

Факторы, которые следует учитывать при выборе материалов

В общем, основные факторы, учитываемые при выборе материалов, включают, но не ограничиваются:

• Механические свойства
• Коррозионные свойства
• Общая стоимость владения
• Доступность
• Простота изготовления

Для несущих конструкций механические свойства проверяются для обеспечения структурной целостности. Механические свойства конструкционных материалов сильно различаются в зависимости от микроструктуры, химического состава и производственных процессов. Разновидности стандартизированы на международном или местном уровне руководящими органами, такими как ASTM, ISO или JIS. Основные механические свойства включают, но не ограничиваются:

• Прочность на растяжение
• Энергия удара
• Удлинение
• Твердость
• Усталость
• Прочность на излом
• Ползучесть
• Другие факторы, зависящие от конкретного приложения.

Свойства обычно получают в результате разрушающих испытаний образцов в ходе производственных процессов, а результаты указываются в сертификатах на материалы. Однако специальные механические испытания проводятся заранее, чтобы избежать споров между покупателями и производителями.

Материалы со временем разлагаются в результате реакций, вызванных окружающей средой, называемых коррозией. Коррозионная активность окружающей среды варьируется в зависимости от характера окружающей среды, выбранных материалов и области применения. Материалы должны быть выбраны правильно, чтобы обеспечить надежность и безопасную работу в течение всего срока службы приложения.

Коррозия может быть вызвана атмосферой, почвой, водой, химическими веществами, нефтью и газом, микроорганизмами, а также различными коррозионными агентами, вызывающими различные типы коррозии. При выборе материалов для уменьшения коррозии обычно используется следующее:

• Схемы/диаграммы термодинамической коррозии
• Модели коррозии
• Таблицы химической совместимости
• Лабораторные испытания (потенциодинамическая поляризация, иммерсия, спектроскопия электрохимического импеданса, коррозионное растрескивание под напряжением)
• Рекомендации лицензиара технологии
• Оперативный отзыв

Термодинамические диаграммы/диаграммы коррозии

Диаграммы/диаграммы коррозии основаны на сборе данных лабораторных испытаний и/или полевых испытаний. Собранные данные основаны на параметрах, изученных в ходе лабораторных или полевых испытаний.

Модели коррозии

Модели коррозии используются для прогнозирования скорости коррозии на основе эмпирических формул. Модели используются в виде фирменных программ или в виде таблиц Excel с введенными входными параметрами. Есть модели для CO₂ коррозия, кислородная коррозия и скорость роста трещин. Точность моделей может варьироваться, так как не все параметры коррозии могут быть включены в модели, которые создаются эмпирическим путем на основе экспериментально полученных данных.

Таблицы химической совместимости

Таблицы или диаграммы химической совместимости являются качественными инструментами, используемыми для определения совместимости между условиями окружающей среды и выбранными материалами для применения. В некоторых ситуациях требуются дополнительные исследования и испытания, чтобы лучше определить совместимость выбранного материала.

Лабораторные испытания

Лабораторные испытания проводятся в случаях, когда необходимы аналитические данные для оценки характеристик выбранных материалов в моделируемых условиях окружающей среды. Условия окружающей среды, лабораторные установки и экспериментальные условия расположены в стандартизированной лабораторной среде, чтобы гарантировать, что полученные данные представляют параметры, используемые для эффективного и подходящего выбора материалов.

Рекомендации лицензиара технологии

Некоторые технологии обработки являются собственностью, а механизмы ноу-хау принадлежат лицензиарам. Материалы, выбранные лицензиарами, часто соответствуют минимальным требованиям для целей гарантии.

Операционная обратная связь

Оперативная обратная связь, основанная на фактическом опыте, ценна, поскольку она предлагает данные в режиме реального времени на местах. Сбор исторических данных (изменения рабочих параметров, сертификаты материалов, Спецификация процедур сварки (WPS)/Квалификационные записи процедур (PQR), отчеты об инспекциях, отчеты об анализе отказов и т. д.) имеет решающее значение для гарантии выбора подходящих материалов.

Оценка решений по выбору стоимости материалов

Стоимость имеет большое значение при выборе материалов, а баланс капитальных затрат (CAPEX) и эксплуатационных расходов (OPEX) имеет решающее значение. Инженеры по материалам и коррозии должны выбирать материалы, которые удовлетворяют соображениям бюджета и затрат, а также производительности. Значение CAPEX заключается не только в выборе сыпучих материалов, но и в процессах изготовления и формах продукции. Воздействие OPEX заключается в ремонте и замене подвергшихся коррозии материалов, а также в контроле коррозии, мониторинге коррозии и введении ингибитора коррозии. Использование углеродистой стали может быть связано с низкими капитальными затратами, но с высокими эксплуатационными затратами, а использование нержавеющей стали влияет на каждое из них противоположным образом.

Доступность материалов также играет решающую роль, особенно в отношении графика проекта. Например, при использовании патентованных материалов доставка может занять больше времени, чем обычно, из-за ограничений, связанных с поставщиками, небольшим количеством или складскими запасами, которые могут потребовать минимального количества заказов в ситуациях, которые могут увеличить стоимость.

Материалы, которые трудно изготовить, могут значительно повлиять на график проекта, если их не запланировать заранее, особенно при использовании в больших количествах. Например, для материалов, требующих термообработки после сварки (PWHT), могут потребоваться тысячи сварных соединений на нефтегазовых объектах, а также тысячи человеко-часов для выполнения требований PWHT. Трудно свариваемые материалы могут снизить скорость сварки и увеличить частоту ремонта.

Заключение

Выбор материалов включает в себя сложные процедуры, которые требуют понимания склонности к отказам и методов борьбы с коррозией, а также сотрудничества между различными инженерными дисциплинами.