Témata
Reklama

Volba materiálů a konstrukční uspořádání z hlediska korozního inženýrs

Základním požadavkem na provoz technologických zařízení a strojů je jejich spolehlivost, bezpečnost a maximální životnost. Jednou z příčin vzniku poruch a havárií je koroze zařízení nebo kombinace koroze a jiných vlivů.

Poškození technologických zařízení nebo strojů vlivem koroze může mít řadu příčin, které se pochopitelně mohou vzájemně ovlivňovat a zvyšovat nebezpečí korozního napadení. Dobrý projekční návrh je vždy základem spolehlivého a efektivního využití materiálů. Tento příspěvek se nezabývá protikorozní ochranou.
Reklama
Reklama

Volba materiálu v období projekce

Období projekce je rozhodující okamžik, kdy často dochází k nesprávné volbě konstrukčních materiálů. Výběr optimálního materiálu z hlediska mechanických a fyzikálních vlastností nemusí brát v úvahu i korozní odolnost materiálů v provozních podmínkách. Velmi často projektanti postupují při volbě materiálu na základě znalostí pouze základních typů materiálů a není prováděn výběr materiálů na základě korozní a materiálové analýzy. Často se při navrhování konstrukcí vychází z již dříve používaných materiálů a nevyužívají se nové progresivní speciální materiály vyvinuté pro konkrétní technologické procesy. Typickým příkladem je použití klasické korozivzdorné austenitické oceli typu X 03CrNiMo 18-12-3 (ČSN 17 350, AISI 316 L) pro prostředí močoviny především pro reaktor, kondenzátor a stripér. Pokud bychom použili běžnou jakost této oceli, docházelo by ke koroznímu napadení, zvláště při nedodržení technologických parametrů procesu. Je nutno použít ocel typu 17 350 močovinové jakosti (urea grade), která kromě chemického složení má předepsaný i max. obsah delta feritu a max. korozní rychlost při zkoušce ve vroucí 65% kyselině dusičné (Huey test).
Dalším faktorem, který ovlivňuje korozní odolnost materiálů, je často nízká znalost degradačních korozních a dalších mechanismů v daném prostředí. Každé prostředí má svoje specifické problémy z hlediska koroze, a pokud se interpretuje korozní chování materiálů jako souhrn korozní odolnosti v jednotlivých složkách korozního média, mohou být následky korozního napadení pro dané konkrétní podmínky i katastrofické. Je nutné brát v úvahu i další faktory, jako je např. přítomnost mechanických a tepelných namáhání. To často vede při výběru materiálů k nerespektování specifik konkrétních materiálů a přecenění jejich korozní odolnosti.

Možná úskalí projektu

Při volbě materiálu se často uvažují pouze běžné provozní podmínky a zapomíná se na posouzení vhodnosti použitelnosti materiálu ve všech provozovaných režimech. Za projektovaných technologických podmínek je korozní odolnost použitých materiálů vysoká, ale při jejich změně dochází k výrazným změnám korozní odolnosti. Nestandardní podmínky mohou nastat např. při najíždění a sjíždění zařízení, při odstávkách nebo změně technologických parametrů.
Při navrhování konstrukčních materiálů může dojít i podcenění vlastní volby materiálu a spoléhání na protikorozní ochranu, což může mít různé důvody. Jednak to může ukazovat na nedostatečné znalosti projektantů v oblasti materiálového a korozního inženýrství, jednak na přecenění možností způsobů protikorozní ochrany (nátěry, povlaky, katodická nebo anodická ochrana apod.). Bohužel velmi často dochází k upřednostnění okamžitých ekonomických ukazatelů proti dlouhodobým. V praxi to znamená, že je použit levnější materiál s nízkou korozní odolností, který bude třeba často vyměňovat, zatímco z ekonomického hlediska je výhodné zvolit drahý materiál s vysokou korozní odolností. V dlouhodobém časovém horizontu se pak vysoké vstupní náklady na kvalitní materiál ukážou jako výhodné.

Základní principy při volbě materiálu z hlediska koroze

Volba konstrukčního materiálu z hlediska koroze je rozhodující pro chování materiálu v provozních podmínkách. Při výběru korozně vhodného materiálu je nutné dát do souladu všechny požadavky projektantů a technologů, možnosti výrobních a technologických postupů a montáže zařízení. Je nutné si stanovit určité principy postupu při volbě materiálu z hlediska koroze:
  • formulace problematiky koroze, resp. protikorozní ochrany na konkrétním zařízení;
  • volba optimálního materiálu na základě znalostí a poznatků o chování podobných zařízení;
  • na základě dalších literárních údajů zhodnotit jiná nebezpečí korozního napadení;
  • zhodnotit korozní chování materiálů v provozních podmínkách a při změně technologických parametrů;
  • zhodnotit možnosti protikorozní ochrany;
  • zpracovat požadavky na případné modelové nebo poloprovozní korozní zkoušky;
  • posoudit komplexně korozní namáhání stroje nebo zařízení.
  • Zadání a informace pro volbu materiálu

    Základní informací při výběru korozně odolných materiálů je popis technologického postupu a jednotlivých provozních aparátů. Definují se provozní média a provozní parametry. Posoudí se možnost vlivu dalších faktorů ovlivňujících korozní prostředí, jako je např. mechanické namáhání. Na základě předpokládané životnosti zařízení je nutno definovat přípustnost korozního napadení (obvykle korozní rychlost), popř. seznámit se s dalšími specifickými podmínkami a požadavky na provoz.
    Je nutno shromáždit co největší množství informací o korozní odolnosti materiálů v daných provozních podmínkách. Je možno vycházet z informací o materiálovém řešení podobných zařízení a historických záznamů o případném korozním napadení dosud používaných materiálů a příčinách korozního porušení. Dále se pochopitelně využívají další dostupné literární korozní údaje obsažené v odborných publikacích, sbornících a firemní literatuře. Je vhodné provést i literární rešerši z dostupných patentů, norem a předpisů ve vztahu k prováděnému návrhu.

    Rozbor korozních podmínek a vlastností materiálu

    Na základě chemického složení provozních látek a provozních parametrů se stanoví korozní podmínky pro volbu materiálů a na základě literárních údajů nebo zkušeností korozního inženýra se stanoví hlavní degradační mechanismy, jejich priorita a pravděpodobnost jejich vzniku. Je třeba posoudit případné omezující podmínky pro volbu materiálů z hlediska koroze, např. hygienická nebo ekologická omezení. Je třeba posoudit korozní odolnost materiálů na vnitřní i vnější straně provozovaného aparátu nebo potrubí. Nedílnou součástí stanovení možnosti korozního napadení je i posouzení případných změn technologických parametrů při technologickém procesu, a to nejen při najíždění, sjíždění a odstávkách. Jedná se především o změny teplot, tlaků a koncentrací při neočekávaných poruchách ve výrobním procesu.
    Po návrhu optimálního materiálu z hlediska koroze je nutné posoudit, zda mechanické, fyzikální a technologické vlastnosti vybraného materiálu jej také umožní s dobrou korozní odolností použít. Jedná se především o pevnostní nebo křehkolomové charakteristiky, houževnatost, tvrdost popř. strukturní stabilitu. Důležité je i posouzení technologických vlastností, především tvařitelnosti a svařitelnosti, aby zvolený materiál byl akceptovatelný i z pohledu výroby a montáže.

    Alternativní řešení a ověření správnosti materiálu

    Po provedení předchozích jednotlivých kroků se často ukáže, že neexistuje pouze jedno jednoznačné řešení, ale že je možno akceptovat několik možností, z nichž každá má některé omezení z hlediska koroze. Je proto důležité zvážit všechny možnosti volby, a to nejen v oblasti koroze, ale i v kombinaci životnosti zvolených materiálů a ekonomických podmínek. Jak již bylo uvedeno, dražší materiál často přinese v dlouhodobém horizontu snížení nákladů na provoz a údržbu. Je proto nutné ve spolupráci s projektantem, investorem a dodavatelem posoudit a vybrat nejvhodnější alternativu.
    Jestliže je rozhodnuto o optimální volbě materiálu, je nutno ještě ve firemní literatuře zjistit, zda je k dispozici potřebný sortiment (plechy, trubky, armatury apod.) a jaká je jeho dostupnost. Zjištění, že zvolený materiál není k dispozici, při jeho objednávání způsobuje potom v časové tísni i použití rychle dostupných materiálů s nižší korozní odolností a lze očekávat problémy v korozní odolnosti zařízení.
    V případě pochybností o správnosti volby materiálu je možno doporučit provedení vhodně zvolených laboratorních nebo i poloprovozních zkoušek. Pokud je to možné, je výhodné ověřit korozní odolnost nově zvoleného materiálu ve stejném nebo podobném provozu pomocí vložených vzorků přímo do provozu a provést jejich vyhodnocení po maximální možné době expozice.

    Konstrukční uspořádání a koroze

    Dobrý konstrukční návrh je vždy základem spolehlivého a efektivního využití materiálů. Vždy by měly být dodržovány určité zásady, které musí být akceptovány při navrhování z hlediska koroze nebo protikorozní ochrany. Především je třeba se vyhnout tvarům vedoucím ke zhoršování korozních podmínek. Korozní problematiku je nutno vždy považovat za nedílnou část celkového návrhu. Nejčastější příčiny poruch technologických zařízení jsou:
  • chyby při konstrukci zařízení;
  • špatná aplikace protikorozní ochrany;
  • neočekávatelné provozní podmínky;
  • špatné inspekce;
  • materiálové vady;
  • lidský faktor;
  • nedostatečné znalosti rizika korozního napadení;
  • kontaminace produktů;
  • poruchy přístrojů.
  • Nejčastější příčinou korozního napadení technologických zařízení je nevhodné konstrukční uspořádání. Proto návrh konstrukčního řešení zařízení musí již v období projekce posoudit:
  • vztahy mezi návrhem konstrukčního uspořádání a možností vzniku korozního napadení;
  • kritická korozní místa v konstrukčním uspořádání;
  • technologii přípravy výroby a montáže zařízení z hlediska koroze (zacházení s materiály, technologické postupy, příprava pracovišť apod.).
  • Rozhodujícím faktorem a základem navrhování obvykle bývá geometrie (tvar) zařízení. Je nutno vyhnout se pokud možno takovým místům a uzlům, které zhoršují korozní podmínky. Společným problémem z hlediska koroze jsou hlavně formy lokální koroze, korozní praskání za napětí, štěrbinová koroze a koroze pod úsadami.

    Doba styku s prostředím

    Čím je povrch materiálu déle ve styku s agresivním prostředím, tím je větší možnost jeho korozního napadení. Konstrukční řešení je nutné volit tak, aby se korozní médium nezdržovalo nikde déle, než je nezbytně nutné, a je nutné umožnit snadné vyprazdňování nádob včetně duplikátorů (spádování, výpusti na nejnižším místě), stejně i umístění armatur pro odvodňování ve spodku nádoby. Při konstrukci je nutno vyvarovat se možnosti vzniku mrtvých prostorů (kapes) v technologických zařízeních, kde by prostředí mohlo působit velmi dlouho, docházelo by ke změnám koncentrací a dále by se v těchto místech mohly shromažďovat úsady. Zamezení vzniku kapes je nutné i u otevřených konstrukcí, kde v kapsách může docházet ke shromažďování látek z prostředí, např. při atmosférické korozi ke kondenzaci vlhkosti a oxidu siřičitého.
    Přepážky, výztužná žebra a výstupní hrdla by neměla překážet volnému stékání a odtékání kapaliny, trubky by neměly přesahovat rovinu trubkovnice. Dalšími konstrukčními závadami často bývá špatné konstrukční uspořádání nebo nevhodný návrh v oblasti těsnění, kde může vznikat štěrbinová koroze. Vznik štěrbinové koroze podporuje i špatné provedení návrhu svarových spojů. Nevhodně spádovaná potrubí (i v důsledku namáhání v provozu) mohou způsobovat vznik kapes nebo společně s napětím i vznik korozního praskání za napětí.

    Nerovnoměrné korozní podmínky na povrchu kovu

    Konstrukční uspořádání zařízení může vytvořit na povrchu kovu takový stav, že se vytvoří podmínky pro vznik makročlánků, které mohou vznikat vlivem metalurgických faktorů, např. spojením dvou elektricky vodivých materiálů s různou elektrochemickou ušlechtilostí nebo míst s různým mechanickým napětím, dále rozdílnou metalografickou strukturou materiálu, popř. rozdílnou kvalitou povrchu kovu. K dalšímu vzniku nerovnoměrných podmínek na povrchu mohou přispět místa s rozdílnou teplotou, místa s rozdílnou rychlostí a směry proudění nebo s různou možností provzdušnění.

    Styk dvou elektricky vodivých materiálů

    Vodivé spojení (svařování, pájení, dotyk, nýtování, šroubování) dvou elektricky vodivých materiálů, které mají různou ušlechtilost v daném prostředí, umožňuje vznik makročlánků. Při stejných plochách roste rychlost koroze méně ušlechtilého kovu, který se jeví jako anoda. Je proto nutné dodržovat určitá pravidla:
  • Plocha povrchu méně ušlechtilého kovu, který je anodou, by měla být větší než plocha kovu, který je katodou.
  • Pokud je to možné, vkládat izolátor mezi spojované materiály.
  • Vytvářet ochranné povlaky mezi kovem a prostředím nebo oběma materiály.
  • Spojení obou materiálů makročlánku s kovem, který bude poskytovat oběma elektrickou ochranu - anodická ochrana.
  • Přípustné jsou spoje takových materiálů, které mají v daném prostředí podobnou rychlost koroze.
  • Proudění a přestup tepla

    Proudění kapaliny ovlivňuje korozní reakce, které jsou řízeny přenosem látek k povrchu kovu (např. kyslík) nebo odvodem korozních produktů od povrchu. Obvykle je mírné proudění příznivé, neboť zabraňuje usazování nečistot a sedimentů a tím nerovnoměrnému napadení kovů. Příliš rychlé proudění může vést k odstraňování ochranné vrstvy tuhých korozních produktů nebo způsobuje erozivní napadení. V konstrukci by se proto neměla vyskytovat zařízení jako úzká potrubí s vysokou rychlostí proudění, uzly s prudkými změnami směru toku tekutin (T - tvary a potrubí o malém poloměru), velká drsnost povrchu s možností vzniku nerovnoměrné vrstvy tuhých úsad, místa porušující laminární tok tekutin (přesahující trubky, nerovnosti u šroubových spojů a svarů, těsnění přírub přesahující stěnu potrubí apod.). Tepelně izolované plochy nemají být v přímém styku s tepelně neizolovanou venkovní částí zařízení.

    Mechanické namáhání

    Je třeba vyloučit mechanické namáhání materiálů a koncentrátory napětí (ostré hrany a vruby), zejména u součástí, které by v daném prostředí mohly podléhat koroznímu praskání nebo korozní únavě. Tyto formy koroze způsobují velmi často neočekávané korozní porušení aparátů, kterému lze předcházet již v oblasti konstrukce.
    Reklama
    Vydání #5
    Kód článku: 10534
    Datum: 09. 05. 2001
    Rubrika: Trendy / Povrchové úpravy
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Předúprava oceli nízkoteplotním plazmatem pro zvýšení pevnosti lepeného spoje

    V příspěvku jsou shrnuty výsledky výzkumu vlivu plazmochemické předúpravy vzorků oceli DC01 na výslednou pevnost lepeného spoje. Pro předúpravu povrchu vzorků oceli byla použita RF štěrbinová tryska generující plazma. Jako pracovní plyn byl použit argon a argon v kombinacích s dusíkem nebo kyslíkem. Vliv plazmové předúpravy na povrch oceli byl vyhodnocen pomocí měření kontaktních úhlů a výpočtu volné povrchové energie. Po slepení vzorků oceli pomocí běžně užívaného lepidla Weicon Flex 310M HT200 byly testovány výsledné vlastnosti lepeného spoje pomocí standardních mechanických odtrhových testů podle ČSN EN 1465.

    Finesy antikorozních úprav do extrémních podmínek

    Není asi náročnější zakázky na povrchové antikorozní ochrany než konstrukce pro extrémní klimatické podmínky, jako je střídání abnormálních teplot a slané prostředí. To je totiž ta pravá „ochranářská“ maturita. Mají-li se v těchto podmínkách chránit nadrozměrné konstrukce, není mnoho firem, které si na to troufnou. Před takovým dilematem stáli nepochybně investoři a realizační firmy při stavbě ve své době největší výletní lodě Queen Mary II a těžaři při konstrukci zřejmě nejseverněji umístěné naftové těžební plošiny Goliat v Barentsově moři. Jejich volba firmy realizující protikorozní úpravy padla na vlašimský Metalkov.

    Perfektní povrchová úprava

    Ten, kdo vytváří povlaky, může dosáhnout bezvadných výsledků pouze důkladnou předpřípravou povlakovaného povrchu. Také za tímto účelem investovala firma Bot Oberflächentechnik z Kulmbachu do nového zařízení – a dosáhla tak nakonec fascinujících výsledků.

    Související články
    Koroze a ochrana proti korozi zásobníků na kapalná paliva

    Známe-li příčiny koroze zásobníků na kapalná paliva (viz 1. část článku v minulém čísle), pak můžeme aplikovat ochranu proti korozi. Způsoby ochrany proti korozi lze rozdělit na následující technologické postupy: aplikace povlaků (organických a kovových), použití inhibitorů koroze a katodické ochrany. Každý z těchto postupu je jedinečný a unikátní.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Korozní problémy při spalování biomasy a komunálního odpadu

    Kotle pro spalování biomasy jsou určeny buď ke 100% spalování biomasy, nebo ke kombinaci biomasa - uhlí. V současné době se spaluje především dřevní štěpka, ale přechází se i na spalování zemědělských produktů (sláma, otruby, seno, slupky, oříšky). Předpokládá se i spalování energetických rostlin (šťovík, laskavec, topolovka, mužál). Ve srovnání s dřevnými štěpky se jedná o suroviny s vyššími obsahy chlóru a síry a jejich sloučeniny ve spalinách zvyšují korozní problémy teplosměnných ploch kotlů.

    Koroze a ochrana proti korozi zásobníku na kapalná paliva

    Surová ropa je směsí různých uhlovodíků, které samy nevyvolávají korozi kovů a slitin. Surová ropa obsahuje ale také vodu, některé soli (chlorid sodný, chlorid vápenatý a chlorid hořečnatý), sulfan (sirovodík) a mikroorganismy. Tyto kontaminanty jsou obsaženy v surové ropě ve velmi malých koncentracích (1-3 % hmotnostních) a působí korozí dna zásobníků, pontonů, střech a nikoliv jejich stěn.

    Porušení celistvosti při žárovém zinkování

    Nanášení povlaků žárového zinku spočívá v ponoření ocelových součástí do tekutého kovu o teplotě cca 450 °C. Zinkovaný dílec je při ponořování do taveniny vystaven nerovnoměrnému působení zvýšené teploty, kdy část pod hladinou se rychle prohřívá, zatímco část nad hladinou má teplotu prostředí. Součásti jsou proto v průběhu ponořování do zinkové taveniny namáhány významným proměnným pnutím vyvolaným tepelnou roztažností materiálu. Napětí jsou tahová a tlaková a dosahují meze kluzu materiálu. Zinkované dílce se vždy deformují a obsahují zbytková napětí.

    Výrobní laserové technologie

    Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

    Průmyslové využití nejvýkonnějších laserů

    Již několik desetiletí jsme svědky postupného nabývání významu a upevňování pozice laserů nejen v průmyslových provozech, ale i ve zdravotnictví, metrologii a mnoha dalších oblastech. Na stránkách tohoto vydání je uvedeno hned několik možností jejich využití, všechny jsou však velmi vzdálené možnostem laserů vyvíjených v centru HiLASE. V Dolních Břežanech u Prahy totiž vyvíjejí „superlasery“.

    Dokonalé povrchy řezných nástrojů

    Leštění řezných hran nástrojů je čím dál žádanějším procesem v oblasti strojírenství. Stalo se již zřejmým faktem, že stav řezných hran má obrovský vliv na životnost nástroje a řeznou charakteristiku. Existuje dnes zajímavá alternativa dobře známým procesům, jako je broušení nebo tryskání. Je to úprava řezných hran pomocí vlečného omílání.

    Zvyšování výkonů motoru tvorbou povlaku žárovým nástřikem

    Snížení hmotnosti vozidla a ztrát třením v pohonném agregátu může pomoci při zlepšování celkové účinnosti vozidla, což je jeden z důvodů, proč mnoho výrobců přešlo na bloky motoru z hliníkové slitiny namísto tradiční litiny. Primární výhodou hliníku je nižší hmotnost. Typické hliníkové slitiny nemají sice obdobné vlastnosti z hlediska opotřebení jako litina, přesto mnoho automobilek věnovalo spoustu času hledání konstrukčních řešení pro odstranění tribologických nedostatků, které se dostavily s hliníkovými bloky válců.

    Laserové řešení pro plastikářský průmysl

    Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

    Cyklické zkoušky pro reálnější simulace

    Životnost, trvanlivost, odolnost, ale i třeba degradace jsou důležitými pojmy, pokud se bavíme o životním cyklu jakékoliv součásti. Kupující nebo odběratel požaduje záruky, že právě obdržený díl, zařízení či konstrukce bude fungovat předem stanovenou dobu, navíc je-li ve hře také otázka bezpečnosti. Udělení certifikace či určení doby trvanlivosti často předcházejí různé zkoušky. Důležitou skupinou z nich jsou urychlené korozní zkoušky. Nejen jimi se v úzké spolupráci s průmyslem zabývají ve vědecko-technickém parku v Kralupech nad Vltavou.

    Koroze napříč všemi obory

    Mezinárodní konference Eurocorr, která každoročně přiláká k účasti tisícovku zástupců komerční i akademické sféry včetně nejvýznamnějších celosvětově uznávaných korozních inženýrů, řadu sponzorů a vystavovatelů z oblastí povrchových úprav a povlaků kovů, chemických úprav prostředí, elektrochemických protikorozních ochran, korozního monitoringu, inspekce a zkušebnictví a mnoha dalších, se letos v září díky Asociaci korozních inženýrů poprvé v historii konala v Praze.

    Reklama
    Předplatné MM

    Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

    Proč jsme nejlepší?

    • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
    • Vysoký podíl redakčního obsahu
    • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

    a mnoho dalších benefitů.

    ... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

        Předplatit