خوردگی شکاف در اتصالات فلنجی: چرا 316L از کار می افتد و به جای آن چه باید استفاده کرد

316L در اتصالات فلنجی از کار می‌افتد زیرا شکاف محکم و راکد زیر صفحه واشر دقیقاً ریزمحیط غلظت کم-اکسیژن، اسیدی-کلرید{1}} را ایجاد می‌کند که فیلم غیرفعال آن اغلب در سطوح کلرید و دماهای بسیار پایین‌تر از جایی که 316 لیتر در هر جای دیگر سیستم کاملاً مناسب به نظر می‌رسد نمی‌تواند دوام بیاورد. راه حل این است که مواد فلنج را با شماره معادل مقاومت حفره‌ای (PREN) انتخاب کنید، نه بر اساس شهرت خانواده آلیاژ، و تعیین درجه با PREN بالای 40 برای خدمات حاوی کلرید مانند آب دریا.

اتصالات فلنجی یکی از رایج ترین نقاط شکست در سیستم های لوله کشی فولاد ضد زنگ هستند و به ندرت در اثر حمله سیال فرآیند به سوراخ لوله باز خراب می شوند. آنها در سطح واشر، در شکاف باریک بین دو سطح فلزی جفت شونده از کار می افتند. این مقاله مکانیسم پشت آن شکست را توضیح می‌دهد، اینکه چرا 316L به‌ویژه برای محیطی که فلنج ایجاد می‌کند مناسب نیست، و کدام آلیاژها در واقع مشکل - را با داده‌ها حل می‌کنند تا انتخاب را توجیه کنند، نه فقط شهرت.

خوردگی شکاف چیست و چرا فلنج ها شرایط عالی را برای آن ایجاد می کنند؟

خوردگی شکاف یک حمله خود{0}}شتاب‌دهنده و موضعی است که زمانی شروع می‌شود که راکد، اکسیژن-مایع تخلیه شده در یک شکاف محکم به اسیدی و کلرید-غنی- تبدیل می‌شود و صفحه واشر فلنج اساساً یک شکاف ساخته شده در هر مفصل است.

فولاد ضد زنگ به دلیل یک لایه نازک-کروم غیرفعال-اکسید خود ترمیم شونده، در برابر خوردگی مقاوم است. آن فیلم برای حفظ خود به اکسیژن نیاز دارد. در داخل یک شکاف - شکاف بین واشر و صفحه فلنج، زیر یک واشر، یا زیر یک رسوب - مایع محبوس شده به سرعت اکسیژن محلول خود را مصرف می‌کند و نمی‌تواند با مایع حجیم خارج تبادل کند. فلز داخل شکاف به تلاش برای واکنش ادامه می دهد، اما بدون اکسیژن برای بازسازی لایه غیرفعال، سطح شروع به خوردگی می کند.

این خوردگی یون‌های فلزی را آزاد می‌کند که با آب و کلرید واکنش نشان می‌دهند و یک محلول اسیدی و کلرید-غلیظ در داخل شکاف - تشکیل می‌دهند که اغلب بسیار اسیدی‌تر و غلظت کلرید آن بیشتر از سیال فرآیندی است. این یک حلقه بازخورد ایجاد می کند: هر چه شکاف بیشتر خورده شود، شیمی داخلی آن تهاجمی تر می شود و سریعتر خورده می شود. یک فلنج پیچ‌دار و واشردار به هندسه ایده‌آل برای این مکانیسم نزدیک است - یک شکاف باریک، محکم و راکد که تحت فشار مکانیکی ثابت نگه داشته می‌شود.

چرا 316L به طور خاص در مفاصل فلنجی خراب می شود؟

محتوای آلیاژی 316L - تقریباً 2 تا 3 درصد مولیبدن و بدون افزودن نیتروژن قابل توجه - به سادگی برای پایدار نگه داشتن لایه غیرفعال آن پس از اسیدی شدن شیمی شکاف و کلرید-ش کافی نیست و دمای شکاف بحرانی آن می تواند در شرایط عادی یا کمتر از آن باشد.

مولیبدن و نیتروژن دو عنصر آلیاژی هستند که بیشترین مسئولیت را برای تثبیت لایه غیرفعال فولاد ضد زنگ تحت شرایط اسیدی، کلریدی -شرایط غلیظ - شرایط دقیقی که یک شکاف ایجاد می‌کند{2}}محتوای مولیبدن متوسط L به آن مقاومت مناسبی در برابر حمله کلرید عمومی می‌دهد، و همچنین به خوبی انجام می‌دهد موضوع کاربرد روزمره

اما دمای بحرانی خوردگی شکاف آن (CCCT) - دمایی که زیر آن حمله شکاف شروع نمی‌شود - می‌تواند در برخی شرایط آزمایشی تقریباً -2 درجه (28 درجه فارنهایت) باشد، به این معنی که دمای معمولی محیط یا فرآیند پس از وجود کلرید هیچ حاشیه ایمنی واقعی را ارائه نمی‌کند. داده‌های میدانی مستقیماً این موضوع را تأیید می‌کند: 316L ثابت شده است که در آب دریا و هر آبی که بیش از 1000 میلی‌گرم در لیتر کلرید دارد، دچار خوردگی شکافی می‌شود - آستانه‌ای که بسیاری از آب‌های صنعتی بدون اینکه اپراتورها متوجه شوند از آن فراتر می‌روند.

PREN چیست و چرا عملکرد شکاف را بهتر از نام آلیاژ پیش بینی می کند؟

PREN (عدد معادل مقاومت حفره‌ای) یک ترکیب-امتیاز مبتنی بر - PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N - است و مستقیماً با حفره‌های بحرانی و دماهای شکاف آلیاژ ارتباط دارد، زیرا آن را به عنوان یک ابزار انتخابی به‌اندازه کافی بی‌اعتمادتر از ابزار انتخابی «به‌اندازه کافی مطمئن‌تر» می‌سازد.

این فرمول مولیبدن و نیتروژن را به شدت وزن می کند زیرا هر دو عنصر به طور قابل اندازه گیری دمای حفره ای بحرانی (CPT) و دمای شکاف بحرانی (CCT) یک فولاد ضد زنگ را افزایش می دهند. PREN بالاتر به این معنی است که آلیاژ می‌تواند قبل از اینکه لایه غیرفعال آن خراب شود، محیط شکاف اسیدی‌تر و کلریدتر-تر را تحمل کند. به همین دلیل است که PREN، نه خانواده محصول ("زنگ نزن"، "دوبلکس"، "سوپر آستنیتی")، محور صحیح برای انتخاب مواد فلنج است - دو آلیاژ در یک خانواده می‌توانند مقادیر PREN متفاوتی داشته باشند و بنابراین عملکرد شکاف واقعی-جهانی متفاوت است.

آستانه صنعت که به طور گسترده ذکر شده است، PREN بالای 40 برای مقاومت در برابر شکاف قابل اعتماد در محیط-دمای آب دریا - معیاری است که به طور رسمی در مشخصات مواد فراساحلی مانند استاندارد NORSOK نروژ پذیرفته شده است. توجه داشته باشید که 2205 دوبلکس و حتی 904L که هر دو به طور معنی داری آلیاژی بیشتری نسبت به 316L دارند، هنوز از این آستانه فاصله دارند و همچنان می توانند در سرویس های تهاجمی دچار حمله شکاف شوند.

آیا تغییر به یک آلیاژ نیکل به طور خودکار مشکل را حل می کند؟

هیچ آلیاژی مبتنی بر - نیکل-به طور خودکار نسبت به فولادهای ضد زنگ-PREN بالا برای مقاومت در برابر شکاف برتری ندارد، و مقایسه‌های آزمایشگاهی نشان داده است که برخی از آلیاژهای نیکل عملکرد ضعیف‌تری از فولاد ضد زنگ فوق-6Mo در شرایط شکاف آب دریا دارند.

این یک تصور غلط رایج و پرهزینه است. محتوای نیکل مقاومت در برابر بسیاری از مکانیسم‌های خوردگی را بهبود می‌بخشد، اما مقاومت در برابر شکاف به‌طور خاص همچنان حاوی کروم، مولیبدن و (برای درجه‌های ضدزنگ) محتوای نیتروژن - نه به تنهایی نیکل است. در آزمایش کنترل شده آب دریا در دمای بالا، آلیاژ 625 - یک آلیاژ-نیکل{5}}کروم-آلیاژ مولیبدن - دارای PREN موثر کمتری نسبت به فولاد ضد زنگ 254 SMO در همان مطالعه بود و جایگزین بدون زنگ زدگی شکاف را سریع‌تر شروع کرد.

به طور جداگانه، پوشش‌های جوشی چندین آلیاژ نیکل، از جمله C-276، C-22، و 625، دمای شکاف بحرانی کمتری را نسبت به مواد پایه S31254 در آزمایش‌های مشابه نشان دادند. تنها آلیاژ 59 از آن بهتر عمل کرد. درس عملی: خانواده آلیاژی جایگزینی برای بررسی PREN واقعی نیست و در جایی که برنامه آن را توجیه می کند، داده های آزمایش واقعی (CPT/CCT) برای آلیاژ خاص و فرم محصول خریداری شده نیست.

آیا ماده واشر به اندازه مواد فلنج اهمیت دارد؟

بله انتخاب واشر - می‌تواند باعث خوردگی گالوانیکی شود یا حمله شکاف را مستقل از آلیاژ فلنج تشدید کند، بنابراین انتخاب واشر باید در کنار مواد فلنج مهندسی شود، نه اینکه به عنوان یک فکر بعدی تلقی شود.

دو مکانیسم جداگانه در یک صفحه واشر در حال بازی هستند. اول، خوردگی شکاف معمولی در زیر هر واشر محکم، صرف نظر از جنس آن، رخ می دهد، زیرا خود هندسه شکاف راکد را ایجاد می کند. دوم، خوردگی گالوانیکی می تواند رخ دهد که ماده واشر از نظر الکتروشیمیایی نجیب تر از فلنج باشد - به این معنی که فلنج تبدیل به آند قربانی می شود و ترجیحاً در محل اتصال خورده می شود.

خرابی‌های میدانی مستند شامل واشرهای 316L و آلیاژی 400 است که باعث ایجاد مشکل می‌شوند و حتی فلنج‌های فوق‌{2}دوبلکس هنگام جفت شدن با واشرهای آلیاژی 825 یا آلیاژی 718 در آب دریا خورده می‌شوند. در چندین مورد مستند، تعمیر عملی به هیچ وجه یک ماده فلنج گران‌تر نبود، - آن را مجدداً-ماشین‌کاری سطح فلنج و تغییر به یک الیاف مصنوعی یا واشر نئوپرن بود، به‌ویژه در سیستم‌های فشار پایین- که در آن واشر فلزی از نظر ساختاری ضروری نیست.

کدام آلیاژها باید جایگزین 316L در شکاف{1}}مفاصل مستعد فلنج شوند؟

برای خدمات بلبرینگ کلرید، یک درجه دوبلکس، سوپر{{1}دوبلکس یا سوپر-آستنیتی با PREN بالاتر از 40 - معمولاً 2507 سوپر دوبلکس یا 254 SMO - را مشخص کنید و آلیاژهای نیکل را برای مواردی که تمام آلیاژهای تأیید شده آنها هزینه دارند، نه فقط در صورتی که تمام آلیاژهای تأیید شده CCT قیمت دارند، رزرو کنید.

2507 فوق دوبلکس (S32750): PREN ~ 42، تقریباً سه برابر قدرت تسلیم 316 لیتر، به طور گسترده برای فلنج های دریایی و آب دریا مشخص شده است.

254 SMO / 6Mo super-آستنیتی (S31254): PREN ~43، عملکرد مستند قوی در خدمات فلنج خنک‌کننده و نمک‌زدایی آب دریا.

S31266: PREN بالاتر از 40، به عنوان یک ماده فلنج با کلرید بالا در راهنمای صنعت فعلی قرار گرفته است.

آلیاژهای نیکل (625, C{3}}276, C-22): ذخیره برای برنامه‌هایی که تأیید شده‌اند، آلیاژ-داده‌های خاص CCT/CPT - شهرت عمومی ندارد - هزینه بالاتر آنها را نسبت به گزینه ضد زنگ با PREN بالا توجیه می‌کند.

در هر مورد، انتخاب آلیاژ باید با انتخاب صحیح واشر جفت شود و در صورت امکان، طراحی صفحه فلنجی که عمق شکاف و رکود - را به حداقل می‌رساند، ارتقاء مواد و تغییرات طراحی با هم کار کنند، نه به عنوان جایگزینی برای یکدیگر.

آیا تغییراتی در طراحی وجود دارد که خطر ایجاد شکاف را بدون تغییر آلیاژ کاهش می دهد؟

بله، - کاهش عمق شکاف، بهبود پوشش سطح فلنج، و انتخاب واشرهایی که سطح شکاف راکد را به حداقل می‌رساند، می‌تواند به طور معنی‌داری خطر شکاف را کاهش دهد، اگرچه تغییرات طراحی به تنهایی به ندرت جایگزین PREN کافی در سرویس کلرید واقعاً تهاجمی می‌شود.

هندسه شکاف را به حداقل برسانید:-ماشینکاری با تحمل سخت تر و واشرهای کامل-وجهی، حجم مایع راکد محبوس شده در محل اتصال را کاهش می دهد.

روکش سطح را بهبود ببخشید: سطوح فلنج صاف‌تر، شکاف‌های ریز{0}}را کاهش می‌دهند که می‌توانند حتی در زیر واشرهای درجه‌بندی شده برای کاربرد، حمله هسته‌ای کنند.

واشرهای غیر رسانا و سازگار با مواد شیمیایی را انتخاب کنید: واشرهای مبتنی بر الیاف مصنوعی یا PTFE{1}}از خطر اتصال گالوانیکی که واشرهای فلزی می توانند ایجاد کنند جلوگیری می کنند.

کنترل سرعت سیال و رکود: طرح هایی که از پاهای مرده جلوگیری می کنند و جریان را در سطح واشر تشویق می کنند تجمع کلرید را کاهش می دهند.

این اقدامات خطر را کاهش می دهد. آنها آسیب پذیری اساسی یک آلیاژ-PREN پایین را از بین نمی برند. در یاتاقان‌های{2}}کلرید و خدمات آب دریا، باید به‌عنوان مکملی برای اصلاح انتخاب آلیاژ در نظر گرفته شوند، نه جایگزینی برای آن.

مهندسان چگونه باید مقاومت شکاف را قبل از تعیین یک ماده فلنج بررسی کنند؟

PREN را از شیمی حرارت واقعی محاسبه کنید، سپس به جای تکیه بر مقادیر اسمی برگه اطلاعات آلیاژ، آن را در برابر آزمایش استاندارد شکاف مانند ASTM G48 یا ASTM G150 تأیید کنید.

شیمی حرارتی/ریخته گری واقعی (نه محدوده مشخصات اسمی) را بردارید و PREN را مستقیماً از ترکیب تایید شده محاسبه کنید.

با استفاده از معیار PREN > 40 آب دریا به عنوان نقطه مرجع، نه یک قاعده مطلق برای هر محیط، PREN محاسبه‌شده را با غلظت کلرید سرویس و دمای عملیاتی مورد انتظار بررسی کنید-.

برای خدمات با پیامد بحرانی یا بالا، درخواست یا انجام آزمایش استاندارد - ASTM G48 (آزمایش حفره و شکاف کلرید آهن) یا ASTM G150 (آزمایش دمای حفره بحرانی الکتروشیمیایی) - را در فرم واقعی محصول خریداری شده انجام دهید.

مواد واشر و طراحی صفحه فلنج را همراه با انتخاب آلیاژ ارزیابی کنید، نه به صورت مجزا.

مبنای انتخاب (محاسبه PREN، داده های آزمایش یا هر دو) را در درخواست مواد مستند کنید تا به سوابق تهیه و کیفیت منتقل شود.

سوالات متداول

چه مقدار PREN برای فلنج های آب دریا ایمن در نظر گرفته می شود؟

PREN بالای 40 معیاری است که به طور گسترده برای مقاومت در برابر شکاف قابل اعتماد در آب دریا با دمای محیط{1} استناد شده است و در مشخصات فراساحلی مانند NORSOK به کار گرفته شده است.

آیا می توان از فولاد ضد زنگ 2205 دوبلکس به جای 316L برای مقاومت در برابر شکاف استفاده کرد؟

این یک پیشرفت قابل توجه نسبت به 316 لیتر است، اما 2205 دوبلکس، در PREN حدود 35، هنوز هم می تواند از خوردگی شکاف در آب دریای محیط رنج ببرد، بنابراین نباید به طور خودکار به عنوان یک راه حل کامل برای سرویس کلرید تهاجمی در نظر گرفته شود.

آیا آلیاژ 625 همیشه بهتر از فولاد ضد زنگ برای خوردگی شکاف است؟

نه لزوما. داده‌های آزمایش نشان داده‌اند که آلیاژ 625 در شرایط آب دریا قابل مقایسه است، سریع‌تر از فولاد ضد زنگ آستنیتی 254 SMO فوق‌العاده-در شرایط آب دریا شروع به خوردگی شکاف می‌کند، بنابراین خانواده آلیاژی هرگز نباید جایگزین بررسی PREN واقعی یا داده‌های آزمایشی شود.

چرا خوردگی شکاف حتی در فولاد ضد زنگ که قرار است در برابر خوردگی مقاومت کند، اتفاق می افتد؟

مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ به اکسیژنی بستگی دارد که لایه غیرفعال آن را حفظ می کند. در داخل شکاف، اکسیژن تخلیه می‌شود و محلول به دام افتاده اسیدی می‌شود و کلرید{1}}غلظت می‌یابد و مکانیزمی را که آلیاژ را در هر جای دیگری روی همان جزء «ضد زنگ» می‌کند، شکست می‌دهد.

آیا تغییر مواد واشر خوردگی شکاف را به خودی خود برطرف می کند؟

این می تواند کمک کند، به خصوص با اجتناب از جفت گالوانیکی با یک ماده واشر نجیب تر، اما مکانیسم شکاف زیرین را از بین نمی برد. انتخاب واشر باید مکمل انتخاب صحیح آلیاژ باشد، نه جایگزین آن.