Metallkorrosjon i prosessindustrien IFEA-kurs 13.-14. desember 2011 Materialvalg for instrument og ventiler Håkon Leth-Olsen, INEOS Norge AS
Hvem er jeg? Siv.ing. ITEK, NTH 1991 Dr.ing. ITEK, NTNU 1997 Forsker, MAT, Hydros Forskningssenter, 1996-2006 Overingeniør, MAT, Hydro Olje & Energi, 2006-2007 Materialingeniør/Fabrikkinspektør, INEOS ChlorVinyls 2007- Ifea "Materialvalg for instrumenter og ventiler", des. 2011 roy.johnsen@ntnu.no
Metalliske materialer Aktuelle metalliske materialgrupper i prosessindustrien Stål Ulegert stål Lavlegert stål Rustfrie stål Støpestål/støpejern Nikkel og nikkelbaselegeringer Titan og titanlegeringer Andre Aluminiumslegeringer Kobber og kobberlegeringer..
Ulegert og lavlegert stål Anvendelsesområder Prosessutstyr (kolonner, tanker, varmevekslere, etc. etc.) Rørsystemer (HC, vann, lut, Leidere, gelendre, trapper, supporter, strukturer, osv. Kaier (spuntvegger) Betongarmering Tak- og fasadeplater Osv.
Ulegert og lavlegert stål Klassifiseringsmåter ved kjemisk sammensetning (karbonstål, Cr-V-stål ) Ved bruksområde (konstruksjonsstål, trykkbeholderstål.) Ved egenskaper (lavtemperaturstål, varmfaste stål, høyfaste stål..) Sammensetning: Fe (jern) Ulegert stål: >99% Fe Lavlegert stål: ca. 95-99% Fe Vanligste legeringselementer: C, Mn, Ni, Cr, V, Si og B Karakteristikk Vanligste metalliske konstruksjonsmateriale Relativt billig Bredt spekter av legeringstyper og egenskaper Tetthet: 7,9 kg/dm3 Overflate males vanligvis (mot atmosfærisk korrosjon) Ferromagnetiske
Ulegerte og lavlegerte stål Konstruksjonsstål Normalt brukt i sveisede, lastbærende konstruksjoner Styrke, seighet og sveisbarhet viktig Vanligste legeringselementer: Karbon og mangan (styrke) Varmfaste stål Varme gir redusert styrke Konstruksjonsstål begynner å sige ved 400 C Lavtemperaturstål Vanlige stål blir sprø under ca. -20 C Finkornstål kan brukes ned til ca. -50 C Austenittiske rustfrie stål: Ned til -196 C Aluminium blir ikke sprødt av kulde
Ulegert stål Generell korrosjon i vanndige løsninger Anode: Fe Fe 2+ + 2e - (uten O 2 ) Fe Fe 3+ + 3e - (med O 2 ) Katode: O 2 (aq) + 2H 2 O + 4e - 4OH - 2H + + 2e - H 2 (g) Gir ofte jevnt rustet, brun overflate Relativt lett å ha kontroll (inspeksjon)
Andre korrosjonssformer ulegert stål Spenningskorrosjon: Nitratløsninger Flytende ammoniakk Varm lut Galvanisk korrosjon I kontakt med edlere materialer i vanndige løsninger, f.eks. Rustfritt stål, titan, kobberlegeringer Høytemperaturkorrosjon Oksidering..
Rustfrie stål Definisjon Jernlegeringer med krominnhold > 12% > 50% Fe Prinsipp: Korrosjonsegenskaper pga. stabile oksider Oksidene dannes på overflata x Me + y O Me x O y Fire hovedgrupper: Ferrittiske Martensittiske Austenittiske Ferritt-austenittiske (dupleks)
Rustfrie stål Egenskaper: God korrosjonsmotstand Rent vann, damp/kondensat Atmosfære Alkaliske løsninger Mange syrer ++++ Mye brukt lett tilgjengelig Relativt høy styrke spesielt dupleks Gode lavtemperaturegenskaper En del dyrere en ulegert stål Svært mange typer tilgjengelig Begrensninger Lokal korrosjon i kloridmiljø (vann) Svært legeringsavhengig Utsatt for spenningskorrosjon Klorider Varm lut Dårlig motstand mot mange syrer, spesielt HCl Anvendelse i prosessindustrien Kjølevann /varmevekslere Vannbehandling Instrumentering Rør Div. prosess utstyr +++
Rustfrie stål - Legeringselementer Krom (Cr) Korrosjonsbeskyttelse (kromoksid) Nikkel (Ni) Austenittdanner Molybden (Mo) Gropkorrosjonsmotstand (Mo-oksid) Nitrogen (N) Gropkorrosjonsmotstand Andre: W, Cu, Ti, Nb, Si, Al Øke styrken Korrosjonsmotstanden
Rustfrie stål - krystallstruktur
Rustfrie stål Austenittiske stål Tilstrekkelig med nikkel austenittisk struktur Lette og forme og sveise Vanligste rustfire stålene AISI 304 (18Cr 10Ni) AISI 316 (17Cr 12Ni 3Mo) Brukes mye i: Kjølevannsystemer Atmosfæriske betingelser Instrumentering/instrumentrør Svakt sure og basiske løsninger Ikke-vanndige løsninger +++++
Rustfrie stål - Ferrittiske stål Ferromagnetiske (bcc-struktur) Motstandsdyktig mot spenningskorrosjon Lite Ni og Mo reduserer materialkostnaden Dårlig sveisbarhet pga. kornvekst under sveising forsprødning Lite brukt i prosessindustrien pga. dårlig sveisbarheten
Rustfrie stål Martensittiske stål Sammensetning: 13-17% Cr, >0,1% C, ca. 1% Ni og Mo Hard og sprø må ofte anløpes (glødes) Vanligste anvendelse: Brønnmaterialer Lite brukt I prosessindustrien pga. dårlig sveisbarhet
Rustfrie stål Ferritt-austenittisk (dupleks) Struktur: ca. 50/50 austenitt og ferritt Gir høy styrke God motstand mot spenningskorrosjon Gode sveiseegenskaper (noen utfordringer) Vanligste kvalitet: Duplex 2205 (22Cr 5Ni 3Mo) Mye brukt i Varmevekslere Tanker Rør +
Rustfrie stål - Sammensetning Figur
Gropkorrosjon (pitting) - rustfrie stål Opptrer i kloridholdig vann Kan gi rask gjennomhulling Problem under vannholdig isolasjon Vanskelig å inspisers Overflate bør males før isolering Pittingmotstand: PRE = %Cr + 3.3 %Mo + 16 %N
Spenningskorrosjon (SCC)
SCC rustfrie stål (2) Klorid SCC mest utbredt Skjer ved temperaturer >60 C Materialavhengig ph-avhengig Rask mekanisme plutselige brudd Opptrer ofte fra utsiden (Cl -, vann) Vanlig problem under isolasjon Rustfrie rør bør males før isolering Eksempler fra Rafnes: Sperreoljeslanger for pumpe, VCM Lakepumpe i saltoppløsningskar EDC crackerrør Mengdemåler dampsystem, Noretyl
Nikkelbaselegeringer Kostbare (Ni og Mo kostbart) Brukes der rustfrie stål ikke er resistente nok: Høytemperatur (crackerrør) Varm, konsentrert lut Saltsyre Motstand mot Cl-SCC Mest brukte legeringer: C-familien (Alloy C-276, C4, C-22, 59): God i kombinasjon oksiderende og reduserende syrer Ren Nikkel (Ni 200 og Ni 201) God motstand mot varm lut Monell (Alloy 400) Høy styrke og gen. høy korr. motstand Alloy 800 God høytemp.motstand (crackerrør) Alloy 600 og Alloy 625 God motstand mot Cl-SCC
Nikkelbaselegeringer
Titanlegeringer Egenskaper: Kostbart, spesielt legert med Pt (Gr. 7) Reaktivt metall (termodynamisk uedelt ) Meget stabilt oksid (TiO 2 ) Meget god motstand mot fuktig klor Relaltivt bra motstand mot svak saltsyre Bedres betydelig ved tilsats av Pt/Ru Bruksområder: Sjøvannssystemer (varmevekslere, ) Fuktig klorgass En del syrer Begrensninger: Vannfrie systemer (f.eks. hydrokarboner) Tørr klorgass Spaltkorrosjon i varmt saltvann Sterke/varme syrer
Titanlegeringer
Kobber og kobberlegeringer Utvalg: Ren kobber - ferskvann Kobber/nikkel (Cu+10%Ni, Cu+30%Ni) - sjøvann Messinger (Cu+Zn, Cu+Zn+Pb, Cu+Zn+Sn) Bronser (Cu+Sn, Cu+Al, ).. Fordeler: God støpbarhet God korrosjonsmotstand i mange miljøer Fallgrube: Spenningskorrosjon pga. ammonium / ammoniak Brukes sjelden i landbasert prosessindustrien pga. dette
Høy temperatur Spesielle rustfrie stål og nikkelbaselegeringer brukes i høy temperatur Bedret høytemperaturstyrke Bedret motstand mot oksidasjon Bedret sigemotstand Nedbrytingsmekanismer Oksidasjon (materialavgang) Forsprødning Karburisering (fast karbon tilstede) Utfelling av faser i stålstrukturen Liquid metal enbrittlement Siging Viktige faktorer for trygg drift: Riktig materialvalg Overvåking / tilstandskontroll Temperaturkontroll
Korrosjon av instrumentering/ventiler spes. forhold Utfordring 1: Materialtilgjengelighet Ofte begrenset utvalg i ønskelig materialekvalitet Ikke tilgjengelig Lang leveringstid Kostbart Vanlig løsning: Opp et hakk i materialkvalitet Kan være skummelt materialvalget må kvalitetssikres
Korrosjon av instrumentering spesielle forhold Utfordring 2: Kondensering Utstyret stikker ofte inn i prosessmediet kaldere enn gassen (kaldfinger)? kondensering Kondensert fase kan bli korrosiv Korrosive specier i gassen Løsninger: Unngå kaldfinger/ kondensering Isolere godt på utsiden av rør/utstyr Velg resistente materialer i termolomme Må tåle kondenserende og tørre betingelser Er plast en mulighet?
Korrosjon av instrumentering/ventiler spes. forhold Utfordring 3: Strømningshastighet Utstyret utgjør en strømningshindring Lokalt høy hastighet på utstyret Lokalt høy hastighet nedstrøms utstyr Utstyr og nedstrøms rør blir utsatt for: Kavitasjon ( Erosjon (partikler) Erosjonskorrosjon Løsninger: Tenk design Riktig materialvalg Beskytt nedstrøms utstyr/rør
Korrosjon av instrumentering/ventiler spes. forhold Utfordring 4: Galvanisk korrosjon Forskjell i edelhet mellom materialene i instrument og rør/utstyr Minst edle material korroderer Viktig: Arealforhold Løsninger: Velg materialer med mest mulig lik edelhet Stort uedelt areal, lite edelt areal Maling
Oppsummering