Kāds ir labākais materiāls korozijizturīgam mehāniskajam blīvējumam?

Ievads

Materiāla izvēle korozijizturīgam mehāniskajam blīvējumam nav saistīta ar viena universāli “labākā” varianta atrašanu, bet gan ar blīvējuma virsmu, elastomēru un metāla detaļu saskaņošanu ar šķidrumu, temperatūru, spiedienu un ekspluatācijas apstākļiem. Nepareiza kombinācija var paātrināt nodilumu, izraisīt ķīmisku iedarbību un saīsināt blīvējuma kalpošanas laiku, izraisot noplūdes, dīkstāves un drošības riskus. Šajā rakstā ir paskaidrots, kā tādi izplatīti materiāli kā silīcija karbīds, volframa karbīds, Hastelloy, PTFE un speciālie elastomēri darbojas korozīvā vidē, un kā tos novērtēt, pamatojoties uz procesa ķīmiju, lai jūs varētu noteikt vispiemērotāko blīvējuma konstrukciju savam pielietojumam.

Kāpēc materiāla izvēle ir svarīga korozijizturīgiem mehāniskiem blīvējumiem

Norādot akorozijizturīgs mehāniskais blīvējumsir viens no kritiskākajiem inženiertehniskajiem lēmumiem šķidrumu apstrādes sistēmās.Mehāniskie blīvējumi kalpo kā galvenā barjerastarp agresīviem procesa šķidrumiem un ārējo vidi, novēršot bīstamas emisijas un aizsargājot sūkņa iekšējās sastāvdaļas. Apstrādājot ļoti kodīgus materiālus, piemēram, stipras skābes, kodīgus sārmus vai agresīvus šķīdinātājus, kļūdas robeža praktiski nav. Materiāla degradācija var notikt ātri, izraisot hermētiskuma zudumu, vides apdraudējumus un nopietnus iekārtu bojājumus.

Atlases process prasa visaptverošu izpratni par metalurģiju, triboloģiju un elastomēru ķīmiju. Mehāniskais blīvējums nav monolīta sastāvdaļa; tas ir rotējošu un nekustīgu virsmu, sekundāro blīvēšanas elementu un metāla furnitūras komplekts. Katram no šiem komponentiem ir neatkarīgi jāiztur ķīmiskā vide, vienlaikus saglabājot precīzas mehāniskās pielaides dažādos spiedienos un temperatūrās. Pareizo materiālu neatbilstība konkrētajai šķidruma ķīmiskajai sastāvam ievērojami samazina vidējo laiku starp atteicēm (MTBF) un palielina ekspluatācijas riskus.

Procesa ķīmija, noplūdes risks un dīkstāves ietekme

Procesa ķīmija nosaka materiālu degradācijas ātrumu un mehānismu. Rūpnieciskajiem šķidrumiem var būt ļoti atšķirīgs pH līmenis, sākot no ļoti skāba (pH < 1) līdz ļoti sārmainam (pH > 13), un katrs no tiem atšķirīgi iedarbojas uz materiāliem. Piemēram, oksidējošas skābes, piemēram, slāpekļskābe, var pasivēt noteiktus nerūsējošos tēraudus, bet ātri iznīcināt standarta oglekļa blīvējuma virsmas. Turklāt nelieli piesārņotāji, kas bieži vien netiek ņemti vērā beramkravu šķidrumu specifikācijās, var darboties kā katalizatori lokalizētiem korozijas mehānismiem, piemēram, punktveida vai spraugu korozijai.

Ar nepareizu materiālu izvēli saistītais noplūdes risks sniedzas tālāk par vienkāršu mehānisku bojājumu. Ķīmiskajā pārstrādē un naftas ķīmiskajā rafinēšanā gaistošie organiskie savienojumi (GOS) un bīstamie gaisa piesārņotāji ir stingri jāierobežo. Vides aizsardzības aģentūras (EPA) noteikumi bieži vien nosaka, ka sūkņa blīvējuma emisijām jābūt zem 500 daļiņām uz miljonu (ppm) sliekšņa. Korozijas izraisīts blīvējuma virsmas bojājums vai elastomēra degradācija var izraisīt tūlītējus normatīvo aktu pārkāpumus, radot nepieciešamību pēc avārijas izslēgšanas un obligātas vides ziņošanas.

Ar sliktu materiālu saderību saistītas atteices izmaksas

Sliktas materiālu saderības finansiālās sekas ievērojami pārsniedz paša mehāniskā blīvējuma sākotnējās iegādes izmaksas. Ja blīvējums priekšlaicīgi sabojājas ķīmiskas iedarbības dēļ, tiešās nomaiņas izmaksas palielina darbaspēks, kas nepieciešams sūkņa izņemšanai, dekontaminācijai un atkārtotai uzstādīšanai. Vēl svarīgāk ir tas, ka netiešās izmaksas, kas saistītas ar neplānotu dīkstāvi, var būt satriecošas. Augstas caurlaidspējas nepārtrauktas pārstrādes iekārtās negaidīta sūkņa atteice var apturēt ražošanas līniju, radot dīkstāves izmaksas no 10 000 līdz vairāk nekā 50 000 USD stundā atkarībā no nozares un produkta vērtības.

Turklāt kodīga noplūde var radīt papildu bojājumus apkārtējam aprīkojumam. Bojāts blīvējums ļauj agresīvām ķīmiskām vielām uzbrukt sūkņa vārpstai, gultņiem un motora korpusiem. Tas, kas sākotnēji sākas kā lokalizēts blīvējuma bojājums, var ātri pāraugt katastrofālā sūkņa bojājumā, kas prasa pilnīgu gultņu rāmja pārbūvi vai vārpstas nomaiņu. Sākotnēji ieguldījums atbilstošos korozijizturīgos materiālos — pat ja tas palielina sākotnējās komponentu izmaksas par 200% līdz 300% — nodrošina ievērojami lielāku ieguldījumu atdevi (ROI), pagarinot MTBF no dažiem mēnešiem līdz vairākiem gadiem.

Korozijizturīgu mehānisko blīvējumu materiālu iespējas

Lai izgatavotu korozijizturīgu mehānisko blīvējumu, ir jāizvēlas specializēti materiāli trim atšķirīgām zonām: primārajām blīvējuma virsmām, metāla furnitūrai (atsperēm, piedziņas tapām un blīvslēgiem) un sekundārajiem blīvējuma elementiem (O veida gredzeniem un blīvēm). Katra zona saskaras ar unikālām ekspluatācijas slodzēm, kas nozīmē, ka materiāls, kas izcili labi darbojas kā statisks O veida gredzens, var būt pilnīgi nepiemērots dinamiskai, siltumu ģenerējošai blīvējuma virsmai.

Blīvējuma virsmas materiāli, piemēram, silīcija karbīds

Primārās blīvējuma virsmas ir vissvarīgākās sastāvdaļas, jo tās, rotējot viena pret otru, uztur mikroskopisku šķidruma plēvi.Silīcija karbīds (SiC)tiek plaši uzskatīts par galveno blīvējuma virsmas materiālu smagiem ķīmiskiem apstākļiem. Konkrēti, tieši saķepināts (alfa) silīcija karbīds piedāvā gandrīz universālu ķīmisko izturību pH diapazonā no 0 līdz 14 un var izturēt darba temperatūru līdz 300 °C (572 °F). Atšķirībā no reakcijas ceļā savienota silīcija karbīda, kas satur brīvu silīciju, ko var izskalot spēcīgi kodīgi līdzekļi vai fluorūdeņražskābe, alfa saķepināts SiC saglabā strukturālu stabilitāti gandrīz visās agresīvās vidēs.

Citi virsmas materiāla varianti ietver volframa karbīdu (WC) un dažādas oglekļa markas. Volframa karbīds ir ļoti izturīgs un triecienizturīgs, padarot to piemērotu abrazīvām suspensijām, taču tā ķīmiskā izturība ir ļoti atkarīga no saistvielas. Korozīvā vidē volframa karbīds ar niķeli saistīts parasti ir labāks par kobalta saistītiem variantiem, lai gan stiprās skābēs tas joprojām atpaliek no SiC. Ar antimonu vai sveķiem piesūcinātas oglekļa virsmas bieži tiek izmantotas kā savienojuma gredzens pret SiC, pateicoties to lieliskajām pašeļļojošajām īpašībām, ja vien procesa šķidrums nesatur spēcīgus oksidētājus, kas uzbrūk oglekļa struktūrai.

Korozijizturīgi metāli un sakausējumi

Blīvējuma metāla sastāvdaļām, tostarp blīvslēga plāksnei, uzmavai un atsperēm, jāiztur gan vienmērīga korozija, gan lokalizēti uzbrukumi, piemēram, punktveida korozija un sprieguma korozijas plaisāšana (SCC). Lai gan 316 nerūsējošais tērauds ir nozares standarts vispārējai lietošanai, tas ir ļoti uzņēmīgs pret hlorīdu izraisītu punktveida koroziju. Agresīvām vidēm inženieriem jānorāda augstākas kvalitātes sakausējumi, pamatojoties uz to punktveida korozijas pretestības ekvivalento skaitli (PREN). Spēcīgai hlorīdu vai skābai videi parasti ir nepieciešams PREN virs 40.

Hastelloy C-276 (PREN > 45) ir viens no daudzpusīgākajiem niķeļa-molibdēna-hroma sakausējumiem, kas piedāvā izcilu izturību pret mitru hlora gāzi, hipohlorītiem un plašu organisko un neorganisko skābju klāstu. Titāna 2. klase bieži tiek izvēlēta oksidējošām vidēm un jūras ūdens pielietojumiem, pateicoties tā stabilajai, aizsargājošajai oksīda plēvei, lai gan tas ir uzņēmīgs pret sausu hloru. 20. sakausējums ir vēl viena izplatīta izvēle, kas īpaši izstrādāta, lai izturētu sērskābes iedarbību paaugstinātā temperatūrā un koncentrācijā.

Elastomēri un sekundārie blīvēšanas elementi

Sekundārie blīvēšanas elementi, parasti O veida gredzeni, nodrošina statisko blīvējumu starp mehāniskā blīvējuma mezglu un sūkņa korpusu. Elastomēru izvēle bieži vien ir ierobežojošais faktors blīvējuma ķīmiskajām un termiskajām īpašībām. Fluorelastomēri (FKM), plaši pazīstami ar zīmolu Viton, ir standarts daudzām maigām skābēm un šķidrumiem uz naftas bāzes, bet tie ātri sadalās ketonos, amīnos un stipros sārmos.

Lai nodrošinātu īpašu izturību pret koroziju, nepieciešami perfluorelastomēri (FFKM), piemēram, Kalrez vai Chemraz. FFKM savienojumi piedāvā ķīmisko izturību, kas ir gandrīz identiska PTFE, bet saglabā elastīgo atmiņu, kas nepieciešama dinamiskai blīvēšanai. Tie var izturēt agresīvus šķīdinātājus, stipras skābes un bāzes nepārtrauktas darba temperatūrā līdz 327 °C (620 °F). Ja budžeta ierobežojumi neļauj izmantot pilnu FFKM, PTFE iekapsulēti FKM vai silikona O veida gredzeni nodrošina rentablu alternatīvu, piedāvājot PTFE apvalka ķīmisko inertumu ar elastomēra serdes mehānisko noturību.

Kā novērtēt blīvējuma materiālus atbilstoši ekspluatācijas apstākļiem

Blīvmateriālu novērtēšanai ir nepieciešams iet tālāk par pamata ķīmiskās saderības diagrammām un analizēt darbības vides dinamiskos apstākļus. Materiāls, kas istabas temperatūrā ir ķīmiski inerts, var strauji degradēties, ja tas tiek pakļauts berzes siltumam, kas rodas blīvējuma virsmās, vai ja šķidruma koncentrācija svārstās procesa traucējumu laikā. Inženieriem ir jānovērtē viss pielietojuma termodinamiskais un ķīmiskais apvalks.

Darbības mainīgie, piemēram, koncentrācija, hlorīdi un temperatūra

Temperatūra, koncentrācija un specifisku jonu klātbūtne krasi ietekmē korozijas ātrumu. Piemēram, 316 nerūsējošais tērauds ir pilnībā pieņemams apkārtējās vides temperatūras ūdenim, bet, ja hlorīdu koncentrācija pārsniedz 1000 ppm un temperatūra paaugstinās virs 60 °C (140 °F), materiāls kļūst ļoti uzņēmīgs pret sprieguma korozijas plaisāšanu (SCC) un ātru punktveida koroziju. Līdz ar to pielietojumos, kas saistīti ar karstu sālsūdeni vai jūras ūdeni, bieži vien ir nepieciešams superdupleksa nerūsējošais tērauds vai titāns.

Tikpat kritiska ir skābes koncentrācija. Sērskābei ir nelineārs korozijas profils: atšķaidīta sērskābe ir ļoti kodīga daudziem metāliem, un tās pagatavošanai nepieciešams Hastelloy vai Alloy 20, savukārt koncentrētu sērskābi (>90%) dažreiz var apstrādāt standarta oglekļa tēraudi apkārtējās vides temperatūrā pasivējošas sulfāta plēves veidošanās dēļ. Tomēr, ja koncentrētā skābe absorbē mitrumu no gaisa, lokalizētais atšķaidījums nekavējoties izraisīs spēcīgu korozijas iedarbību uz blīvējuma furnitūru.

Būtiski kompromisi un salīdzināšanas faktori

Ideāla materiāla izvēle bieži vien ietver konkurējošu mehānisko un ķīmisko īpašību līdzsvarošanu. Lai gan alfa saķepinātais silīcija karbīds nodrošina nepārspējamu izturību pret koroziju, tas ir ārkārtīgi trausls. Ja sūknī rodas spēcīga kavitācija vai vārpstas novirze, SiC virsmas var katastrofāli saplīst. Lietojumos, kur mehānisks trieciens ir galvenā problēma līdzās korozijai, inženieri var panākt kompromisu, izmantojot izturīgāku, lai gan nedaudz mazāk ķīmiski inertu volframa karbīda virsmu.

Siltumvadītspēja ir vēl viens svarīgs salīdzināšanas faktors. Blīvējuma virsmas rada ievērojamu berzes siltumu, kas jāizvada procesa šķidrumā, lai novērstu šķidruma pārvēršanos tvaikos. SiC ir lieliska siltumvadītspēja, kas daudz ātrāk atvada siltumu no blīvējuma saskarnes nekā alumīnija oksīda keramika vai ogle. Šī spēja samazina termiskā šoka risku un pagarina sekundāro elastomēru kalpošanas laiku.

Kad ar vienu materiāla uzlabojumu nepietiek

Dažos ekstremālos pielietojumos viena mehāniskā blīvējuma metalurģijas un virsmas materiālu uzlabošana nav pietiekama, lai garantētu uzticamību. Ja šķidrums ir īpaši bīstams, toksisks vai tam ir tendence polimerizēties, nonākot saskarē ar atmosfēras skābekli, pielietojumam ir nepieciešamsdivkāršs mehāniskais blīvējumsDivkāršie blīvējumi izmanto divus blīvējuma virsmu komplektus un starp tiem ievieš barjeru vai buferšķidrumu.

Saskaņā ar Amerikas Naftas institūta (API) standarta cauruļvadu plāniem, piemēram, API plānu 53A vai 54, starp iekšējo un ārējo blīvējumu cirkulē spiediena barjeras šķidrums. Šī šķidruma spiediens ir aptuveni par 10–15 % (parasti no 1,5 līdz 2,0 bar) augstāks nekā sūkņa blīvslēga spiediens. Tā kā barjeras šķidruma spiediens ir augstāks, jebkura noplūde pāri iekšējām blīvējuma virsmām ieplūst procesā, nodrošinot, ka kodīgais procesa šķidrums nekad nesaskaras ar ārējā blīvējuma komponentiem vai nenonāk atmosfērā. Šī stratēģija ļauj ārējā blīvējuma aparatūru izgatavot no standarta, lētākiem materiāliem.

Iepirkumu un atbilstības faktori materiālu izvēlē

Korozijizturīgu mehānisko blīvējumu iegāde ietver sarežģītu piegādes ķēžu pārvaldību, eksotisku materiālu ilgu izpildes laiku pārvaldību un stingras nozares atbilstības standartu ievērošanas nodrošināšanu. Materiālu sastāva pienācīgas dokumentēšanas un pārbaudes nespēja var izraisīt katastrofālas kļūmes un nopietnu juridisko atbildību, jo īpaši stingri regulētās nozarēs, piemēram,nafta un gāze, farmācija un ķīmiskā pārstrāde.

Standarti, dokumentācija un izsekojamība

Augsta riska lietojumos ir nepieciešama stingra dokumentācija, lai pārliecinātos, ka norādītie materiāli faktiski ir izmantoti blīvējuma konstrukcijā. Naftas ķīmijas rūpniecībā mehāniskajiem blīvējumiem bieži jāatbilst API 682 4. izdevuma standartiem, kas nosaka konkrētas materiālu kategorijas dažādiem ekspluatācijas apstākļiem. Lietojumos, kas saistīti ar sērūdeņradi (H2S), metāla detaļām jāatbilst NACE MR0175 / ISO 15156, lai novērstu sulfīda sprieguma plaisāšanu.

Lai garantētu izsekojamību, iepirkumu inženieri bieži vien pieprasa materiālu testēšanas pārskatus (MTR) visām samitrinātajām metāla detaļām. Turklāt pēc zīmoga saņemšanas ražotnes var veikt pozitīvas materiāla identifikācijas (PMI) testēšanu. PMI izmanto rentgena fluorescences (XRF) analizatorus, lai nesagraujošā veidā apstiprinātu sakausējumu elementu sastāvu, nodrošinot, ka piegādātājs netīšām nav aizstājis pieprasīto Hastelloy C-276 ar 304 nerūsējošo tēraudu.

Piegādātāju spēju un ieguves riski

Eksotisku sakausējumu un augstas veiktspējas elastomēru iegāde ir saistīta ar raksturīgiem riskiem.

Kā izvēlēties labāko materiālu kombināciju

Galvenie secinājumi

• Svarīgākie secinājumi un pamatojums korozijizturīgam mehāniskajam blīvējumam
• Specifikācijas, atbilstības un riska pārbaudes, kuras ir vērts validēt pirms apņemšanās
• Praktiski nākamie soļi un brīdinājumi, lasītāji var pieteikties nekavējoties

Bieži uzdotie jautājumi

Kāds blīvējuma virsmas materiāls parasti ir vislabākais korozijizturīgam mehāniskajam blīvējumam?

Alfa-saķepināts silīcija karbīds bieži vien ir labākā izvēle, jo tas labāk nekā standarta oglekļa virsmas iztur daudzas skābes, sārmus un augstu temperatūru.

Kad jāizvairās no volframa karbīda vai oglekļa virsmām?

Izvairieties no standarta oglekļa lietošanas spēcīgi oksidējošos vai ļoti korozīvos šķidrumos. Esiet uzmanīgi ar volframa karbīdu, ja iespējama ķīmiska iedarbība; pirms izvēles pārbaudiet šķidruma saderību.

Vai visas silīcija karbīda blīvējuma virsmas ir vienlīdz izturīgas pret koroziju?

Nē. Alfa-sintēzes SiC parasti piedāvā labāku ķīmisko izturību nekā reakcijas ceļā iegūtais SiC, īpaši stiprās kaustiskās vidēs un dažās agresīvās ķīmiskās vidēs.

Kādām citām blīvējuma detaļām, izņemot virsmas, jābūt izturīgām pret koroziju?

Pārbaudiet arī metāla detaļas un elastomērus. Atsperēm, blīvslēgiem un O veida gredzeniem jāatbilst procesa šķidrumam, temperatūrai un spiedienam, pretējā gadījumā blīvējums var sabojāties pat ar augstākās kvalitātes virsmām.

Vai Victor Seals var palīdzēt saskaņot korozijizturīgos blīvējumus ar OEM sūkņu modeļiem?

Jā. Victor Seals piegādā OEM saderīgus un nomaiņas mehāniskos blīvējumus daudziem rūpniecisko sūkņu zīmoliem, palīdzot apkopes komandām izvēlēties piemērotus materiālus korozīviem darbiem.