Материальное исполнение регулирующей арматуры производства «ДС Контролз» для коррозионных сред

Грамотный выбор материального исполнения регулирующей арматуры для рабочих сред, обладающих коррозионными свойствами, зависит не только от теоретических знаний инженеров. Чаще всего решение опирается на многолетний опыт поставок аналогичного оборудования, но не редко ключевым фактором выбора становится успешное применение заказчиком тех или иных материалов на определённых технологических позициях. В конечном счёте удачный, с точки зрения коррозионной стойкости и экономической целесообразности, выбор материального исполнения означает многолетнюю надёжную работу регулирующей арматуры. Достаточно обширная номенклатура металлических материалов делает возможным подбор оборудования для любых коррозионных сред, приблизительное количество которых в отечественной промышленности исчисляется десятками тысяч. Любое подобное вещество характеризуется следующими, необходимыми для оценки применимости материалов, параметрами, обычно указываемыми в опросных листах:

В вопросах выбора арматуры для коррозионных сред как никогда важен контакт между техническими специалистами заказчика и инженерами предприятия-изготовителя арматуры, особенно, если сведений указанных в опросном листе недостаточно для обоснованного подбора материалов.

Как правило, чем выше температура коррозионной среды, тем сложнее и ограниченней выбор стойкого к ней материала, но для концентрации, в общем, подобного утверждать нельзя. Высокая концентрация коррозионной среды повышает её опасность чаще всего в совокупности с высокой температурой, как например, в случае серной кислоты.

Также заметно меняется коррозионная активность среды при наличии в ней примесей хлоридов или фторидов. Например, для фосфорной кислоты, обычным явлением становится повреждение материалов арматуры, теоретически считающихся устойчивыми, вроде сталей с повышенным содержанием хрома. Причинной тому могут служить неуказанные в опросном листе примеси, поэтому следует осторожно подходить к технологическим позициям кажущимися аналогичными по рабочим параметрам и типу коррозионной среды. Коррозионная активность рабочей среды из-за примесей может существенно различаться вследствие чего оборудование подвергается коррозии в разной степени.

Абразивные твёрдые включения, часто встречающиеся в коррозионных средах, усугубляют коррозионные разрушения увеличивая скорость потери металла вследствие эрозии. Наличие таких примесей требует упрочнения затворов арматуры, например, керамическими материалами.

В отечественной литературе скорость коррозии выражается в мм/год с условной границей стойкости 0,13 мм/год. Иностранные источники оперируют единицами mpy – тысячные доли дюйма (мил) в год 1 mpy = 1 мил/год = 0,001 дюйм/год = 0,0254 мм/год.

Для ориентации в диаграммах стойкости, где скорость коррозии выражена в mpy и соотнесения с ними наших реалий, следует разделить материалы по скорости коррозии на:

Превышающие 20 mpy показатели соответствуют нестойким материалам. Данным цифрам, в общем случае, можно сопоставить некую иерархию металлических материалов от понижено до превосходно стойких и выглядеть она будет примерно так:

Первая и последняя группы материалов особого интереса не представляют – углеродистые стали применяются на слабокоррозионных средах вроде щелочей при невысоких температурах или сухих газах, а для титановых сплавов легче перечислить среды, на которых они будут корродировать, чем наоборот. Наиболее интересны универсальные, а следовательно, чаще применяемые материалы сложного состава на основе железа – аустенитные и хромистые нержавеющие стали, и на основе цветных металлов – сплавы никеля и молибдена.

Содержание в материалах тех или иных компонентов определяет их применимость для определённых рабочих сред. «Большая тройка» элементов: хром, никель, молибден позволяет материалам успешно сопротивляться точечной и щелевой коррозии, растрескиванию под напряжением, противостоять коррозионным средам при высоких температурах. К важным добавкам относятся медь, титан, кобальт и вольфрам, позволяющие снизить подверженность межкристаллитной коррозии и превосходно сопротивляться бескислородным кислотам.

Для материала с известным химическим составом возможна умозрительная оценка стойкости к точечной коррозии, выражающаяся в значении индекса PREN

PREN=%Cr+3,3*%Mo+16*%N+1,65*%W.

Эта формула применима для сталей на основе железа и позволяет классифицировать материалы следующим образом:

Для сплавов на основе никеля индекс PREN рассчитывается иначе

PREN=%Cr+1,5*(%Mo+%Nb+%W).

Разумеется, исходя только из величины индекса PREN нельзя заключить, что материал с большим значением PREN будет более стоек к какой-либо определённой среде, так как в самом определении индекса PREN не содержится никаких связей с коррозионными средами. Значения индекса PREN всего лишь характеризуют материалы, относя стали к определённым группам и позволяют оценивать применимость материалов на конкретной технологической позиции. Например, если заменяемый клапан был изготовлен из какой-либо дуплексной стали, то логична его замена на клапан из аналогичного материала с не меньшим значением индекса PREN.

Исходя из химического состава материалов можно рассчитать ещё две оценочные характеристики их стойкости к коррозии – критическую температуру точечной (CPT) и щелевой (CCT) коррозии:

Как и в случае с индексом PREN, к расчётным значениям температур CPT и CCT следует относиться осторожно, ввиду их оторванности от реальных коррозионных сред. На практике CPT и CCT сталей определяются путём испытаний воздействия на образцы материалов подкисленного раствора с постепенным повышением температуры до появления коррозии. Однако, в некоторых частных случаях, расчётные значения CPT стыкуются с диаграммами стойкости материалов к определённым средам. Так для стали 1.4584 (20% Cr, 4,5% Mo, 0,2% N) оценочное значение CPT=50 град С совпадает, в частности, с границей применения данного материала в серной кислоте высокой концентрации.

Регулирующая арматура на технологических позициях с коррозионными средами, как правило, не отличается особым разнообразием конструкций. Это клапаны микрорасхода, односедельные подъёмные и сегментные клапаны, а также дисковые затворы. Связано это с особенностями технологических процессов, где превалируют несложные, сточки зрения техники, рабочие параметры. Разумеется, встречаются позиции, требующие использования клеточных клапанов или многоступенчатых затворов, но они, скорее, экзотика. Повседневная работа по расчёту и выбору регулирующей арматуры для коррозионных сред не предполагает применения сильфонных уплотнений, паровых рубашек обогрева, керамических затворов и угловых корпусов, хотя их предложение возможно в различном материальном исполнении.

Чаще всего, проблемы с выбором регулирующей арматуры в случае коррозионной среды возникают на этапе подбора материалов к определённому типу арматуры ещё до её расчёта, так как не имея возможности изготовить конкретный тип оборудования из нужного материала нет смысла его рассчитывать. Во избежание подобного, на предприятии «ДС Контролз» регулирующий клапан любого типа может изготавливаться из широкого спектра материалов, достаточных для обеспечения длительной безотказной работы с любой коррозионной средой.

Таблица 1. Химический состав аустенитных сталей, применяемых для изготовления регулирующих клапанов "ДС Контролз"

Из перечисленных в таблице материалов возможно изготовление корпусов и деталей затворов арматуры в различных комбинациях. Если коррозионная среда допускает применение стеллита, то внутренние детали могут быть изготовлены как из цельного Стеллита-6, так и с наплавкой из него.

Хорошей альтернативой аустенитным сталям являются стали дуплексные различных поколений, отличающиеся содержанием хрома и некоторых других элементов.

Таблица 2. Химический состав дуплексных сталей, применяемых для изготовления регулирующих клапанов "ДС Контролз"

Являясь менее распространёнными чем аустенитные, дуплексные стали нашли своё применение, особенно эффективное для сред, где одновременно присутствует как коррозионное, так и эрозионное воздействие на детали арматуры. Из дуплексных сталей «ДС Контролз» предлагает, в основном, подъёмную арматуру, в том числе, с конструкцией «без застойных зон» для установок производства карбамида.

Таблица 3. Типичные примеры предложения регулирующей арматуры из аустенитных и дуплексных сталей

Относительно сравнения супераустенитых и супердуплексных материалов, то есть сталей с PREN>40, в плане коррозионной стойкости, однозначного выбора в пользу какой-то одной группы материалов сделать невозможно. За супераустенитные стали, типичным образчиком которых служит сталь 904L, выступает универсальность их применения, в связи с достаточной коррозионной стойкостью к многим средам, следствием чего явилась их распространённость, особенно на производствах различных кислот и удобрений. Многие заказчики, имеющие положительный опыт применения супераустенитных сталей, продолжают требовать арматуру изготовленную из них, не зная, что супердуплексные материалы могут быть надёжнее на определённых средах из-за большей их стойкости к некоторым видам коррозии, а также выгоднее экономически из-за меньшего содержания в них цветных металлов по сравнению с супераустенитами.

Располагая большой номенклатурой сталей, «ДС Контролз» также предлагает арматуру из сплавов на основе никеля и титана, для особо агрессивных сред или коррозионных сред с высокой рабочей температурой, где требуется арматура повышенной надёжности.

Таблица 4. Типичные примеры предложения регулирующей арматуры из коррозионностойких сплавов

Применяемые сплавы объединены в группы по торговым маркам (Хастеллой, Монель, Инконель и другие) и различаются внутри этих групп по химическому составу, что отражается в буквенно-цифровом индексе после названия. Из никелевых материалов изготавливается вся номенклатура регулирующих клапанов «ДС Контролз» от клапанов микрорасхода до клеточной арматуры.

Таблица 5. Химический состав наиболее предлагаемых "ДС Контролз" никелевых сплавов

Следует отметить, что при безальтернативной необходимости арматуры из сплавов, заказчику следует указывать в опросном листе полное наименование материала, а не только его вид, например, не просто инконель, а инконель Х-750. Иначе, окончательный выбор марки сплава станет прерогативой инженеров «ДС Контролз», что иллюстрирует нижеследующий пример.

Рассмотрим в качестве рабочей среды соляную кислоту. Для неё нередко требуется арматура из хастеллоя и заказчик в опросном листе просто указывает: «материальное исполнение корпуса и внутренних частей - хастеллой». Однако, семейство сплавов «Хастеллой» насчитывает около десятка разновидностей материалов, половина из которых более-менее широко применяется в отечественной промышленности. Конкретно для соляной кислоты используются две марки хастеллоев – В-2 и С-276, причём первый устойчив при высокой температуре кислоты с концентрацией до 10% и 20..40%, а второй лишь при концентрации <10%, зато любой температуры. Для значений концентрации соляной кислоты 10..30% и рабочих температур ниже 75 градусов хастеллой В-2 уверенно превосходит по стойкости хастеллой С-276. Таким образом, разница в устойчивости к агрессивным средам сплавов, относящихся к одному семейству, может быть весьма существенной. Это рассуждение, впрочем, не касается титановых сплавов, любые марки которых годятся для самого широкого спектра применений.

В заключении хочется подчеркнуть основополагающую идею выбора материального исполнения арматуры для коррозионно-активных сред – инженер, как правило, ищет не идеальное решение, а достаточно стойкое для данной рабочей среды с определённым набором параметров, если у заказчика нет определённых предпочтений, основанных на положительном опыте применения каких-либо материалов.

Статья опубликована в журнале ТПА №5, 2022 год