Strategische Materiaalselectie: Ontwerp, Kosten en Levensduur Beschermen

Materiaalselectie is een belangrijke corrosiebeheersmethode in engineering ontwerp. Het speelt een rol in de effectieve schatting van projectkosten, bouwplanning en veilige operaties.

De fundamentele concepten van materiaalselectie omvatten:

• Materiaaltypen: Dit dekt het brede bereik van beschikbare materialen die geselecteerd kunnen worden.
• Materialeneigenschappen: Dit betreft het onderzoeken van de mechanische, fysieke en corrosieweerstandseigenschappen die voldoen aan eisen voor specifieke toepassingen/gebruik.
• Materiaaleconomie: Dit betreft de eigendomskosten, kapitaal, onderhoud en operatie voor diverse materialen.

Een Overzicht van Veelvoorkomende Materialen

Er zijn veel ingenieursmaterialen in de industrie. Hier bekijken we de eigenschappen van enkele van de meest voorkomende.

Koolstofstalen

Koolstofstaal verwijst naar een familie van ijzer-gebaseerde metalen met minder dan 2% koolstof. Koolstofstalen zijn de meest gebruikte materialen dankzij hun fabricagegemak, lage kosten, beschikbaarheid en hoge sterkte. Koolstofstalen worden gebruikt in een wijd bereik aan toepassingen, van structurele componenten tot hoge-druk apparatuur.

Koolstofstalen gelegeerd met kleine toevoegingen van chroom, molybdeen, vanadium en niobium worden laag-gelegerde stalen genoemd. De legeringselementen vormen carbiden in de microstructuur, wat de materialensterkte en betrouwbaarheid bij hoge temperaturen verhoogt, zoals in elektriciteitscentrale ketels.

Bij sub-nul temperaturen hebben koolstofstalen minder toughness, dus nikkel wordt toegevoegd om toughness te behouden. Met hogere nikkelhoeveelheden neemt het bereik voor lagere temperaturen toe, met name voor vloeibare gassen toepassingen om brosbreuk in vloeibaar aardgas (LNG) en vloeibaar petroleumgas (LPG) apparatuur te voorkomen.

Gietijzer

Gietijzer is een ijzer-gebaseerd metaal, met meer dan 2% koolstof. Het is goedkoop en heeft geen additionele behandeling nodig om de koolstofinhoud te verlagen. Echter, het is bros en heeft beperkte lasbaarheid. Het wordt gebruikt voor niet-kritieke onderdelen in waterpompen en pijpen, en heeft corrosieweerstand vergelijkbaar met die van koolstofstalen. Grijs gietijzer en knorpel/duktil gietijzer zijn de meest voorkomende typen gietijzer.

Roestvrij Staal (SS)

Roestvrij staal is een staalsoort met chroom van minstens 11%, in combinatie met nikkel, molybdeen, en stikstof. Roestvrije stalen worden betrouwbaar gebruikt in corrosieve omgevingen in een verscheidenheid aan energie, chemische en petrochemische industrieën. Er zijn verschillende typen roestvrij staal, afhankelijk van de legeringsinhouden en microstructuren.

Lees: Een Inleiding tot Roestvrije Stalen

Ferritische Roestvrije Stalen
Ferritische roestvrije stalen zijn de meest economische typen en hebben zeer lage nikkelinhoud. Ze zijn vatbaar voor sensibilisatie en moeilijk te lassen, en worden dus gebruikt voor niet-gelaste componenten. Ondanks hun matige corrosieweerstand, zijn ferritische roestvrije stalen bestendig tegen chloride-geassisteerde stress corrosiescheuring (SCC).

Martensitische Roestvrije Stalen
Martensitische roestvrije stalen hebben lage nikkelinhoud, met een toepassingsbereik vergelijkbaar met dat van ferritische roestvrije stalen. Ze hebben hoge sterkte en er zijn veel pipelines gefabriceerd van martensitische roestvrije stalen. Hun hoge hardheid maakt ze voorkeur om te gebruiken tegen erosie.

Austenitische Roestvrije Stalen
Austenitische roestvrije stalen zijn de meest gebruikte roestvrije stalen in de industrie. Met hogere nikkel, hebben ze goede corrosieweerstand en zijn ze gemakkelijk te fabriceren. Er zijn verschillende kwaliteiten van austenitische roestvrije stalen om te selecteren, afhankelijk van de corrosiviteit van de omgeving. Sommige lagere gelegerde kwaliteiten hebben lage weerstand tegen chloride SCC. Austenitische roestvrije stalen worden uitgebreid gebruikt in cryogene toepassingen.

Lees: 12 Dingen Die Je Moet Weten Over Austenitisch Roestvrij Staal

Duplex Roestvrije Stalen
Duplex roestvrije stalen hebben dubbele microstructuren, ferrietisch en austenitisch, met gecombineerde eigenschappen. Ze hebben hoge sterkte en zeer goede corrosieweerstand, met name tegen chloride-geassisteerde SCC, wat ze goed maakt voor gebruik in offshore toepassingen. Echter, duplex roestvrije stalen erven de lagere sterkte van de ferrietische fase.

Uitvallingsgehardede Roestvrije Stalen
Uitvallingsgehardede roestvrije stalen hebben hoge sterkte en toughness, van austenitische, semi-austenitische, of martensitische microstructuren, afhankelijk van de warmtebehandeling. Hoewel ze goede lasbaarheid hebben, zijn hun toepassingen beperkt, zoals voor hoogpresterende veren.

Legeringen

Een legering combineert verschillende metalen, wat toestaat voor verschillende eigenschappen. Hier zijn enkele van de meest voorkomende legeringen en hun sleutelkenmerken.

Nikkel Legeringen

Nikkel legeringen hebben uitzonderlijke corrosieweerstand, maar ze zijn duur vanwege hun hoge nikkelinhoud, die meestal in combinatie met andere legeringselementen zoals molybdeen wordt toegevoegd. Er zijn veel typen nikkel legeringen die aangeduid worden bij merknaam, zoals Hastelloy, Incoloy, Monel, etc. Deze namen betreffen verlopen octrooien, maar de naamgevingserfenis blijft. Nikkel legeringen zijn bestendig tegen chloride-geassisteerde SCC en sulfide-geassisteerde SCC.

Webinar: De Corrosieweerstand van Nikkel Legeringen

Aluminium Legeringen

Aluminium legeringen hebben een goede sterkte-tot-gewicht verhouding en goede corrosieweerstand. Ze zijn echter vatbaar voor galvanische corrosie wanneer in contact met ijzer-gebaseerde metalen. Omdat aluminium een lage smelttemperatuur heeft, is de toepassing van aluminium legeringen beperkt tot laag-temperatuur gebruik. Vanwege hun uitstekende thermische prestaties en duktiliteitsbehoud, worden aluminium legeringen gebruikt in cryogene toepassingen, zoals warmtewisselaars in de LNG industrie.

Koper Legeringen

Koper legeringen worden veel gebruikt in zeewateromgevingen en warmtewisselaars. Ze hebben hoge weerstand tegen biofouling, met name microfouling, en stagnante condities die gelokaliseerde corrosie kunnen veroorzaken, alsook corrosie gerelateerd aan overmatige stroom. Sommige koper legeringen zijn vatbaar voor SCC in omgevingen die ammoniak bevatten.

Titanium Legeringen

Titanium legeringen hebben een goede sterkte-tot-gewicht verhouding en hoge corrosieweerstand in hoge chloride omgevingen. Ze zijn echter duur en moeilijk te fabriceren. Ongelegeerd titanium wordt algemeen gebruikt in de industrie en is economischer dan andere titaniumkwaliteiten.

Lees: 5 Dingen om te Weten en Begrijpen Over Titanium Corrosie

Keramieken

Vanwege hun brosheid — en ondanks hun hoge corrosieweerstand — worden keramieken niet gebruikt in drukdragende apparatuur. Keramieken worden gebruikt in hoge-temperatuur apparatuur en onderdelen, zoals refractories, en voor bescherming tegen slijtage. Keramieken voor refractories zijn doorgaans samengesteld uit een combinatie van oxiden van aluminium, magnesium en silicium. Voor slijtweerstand zijn keramieken samengesteld uit carbiden of nitriden.

Polymers

Polymers worden gebruikt als thermoplasten, thermoharders en elastomeren. De meeste polymers zijn zeer corrosiebestendig, zelfs meer dan veel corrosiebestendige legeringen. Polymers hebben echter lage sterkte, lage smeltpunten en beperkte UV-weerstand. In corrosieve, hoge-druk toepassingen, kunnen polymers gebruikt worden voor corrosiebestendige linings op metalen oppervlakken. HDPE, PVC en PTFE zijn voorbeelden van thermoplasten, maar ondanks dat ze in dezelfde groep zitten, hebben ze verschillende eigenschappen en toepassingen. Thermoharders worden meestal niet als vaste materialen gebruikt, maar eerder als coatings of in een matrix van een composiet. Elastomeren hebben unieke mechanische eigenschappen en worden gebruikt voor afdichtingscomponenten in veel gedrukte toepassingen.

Lees: De Corrosie van Polymer Materialen

Composieten

Composieten zijn een combinatie van twee of meer materialen om beide eigenschappen van beide te bereiken en dus optimale kenmerken voor een bepaalde toepassing. De meest voorkomende composieten in de industrie combineren glasvezel versterkt in polymermatrix, en staal versterkt in betonmatrix. Vezel geeft hoge sterkte en matrix geeft toughness, spanningen uniform verdeeld. Versterkingsvezel kan gemaakt zijn van glas, metaal, koolstof en andere polymeren zoals aramide. E-glas is een veelgebruikte vezel, en er zijn andere typen glazen geschikt voor verschillende toepassingen, zoals C-glas voor chemische weerstand of R-glas voor vermoeidheidsweerstand. Thermoharder polymer is een veelgebruikte composietmatrix die gemakkelijk te fabriceren is en goede mechanische en corrosiebestendige eigenschappen heeft. Thermoplast polymer is niet zo veel gebruikt als thermoharder polymer, en neigt ertoe gebruikt te worden voor spoolbare pijpen vanwege zijn hoge duktiliteit.

Staal versterkt beton is een vitaal structureel materiaal, en corrosie van staal treedt op in corrosieve omgevingen zoals die van zeewater en afvalwater. Coatings, kathodische bescherming, en gebruik van roestvrije stalen worden gebruikt om corrosie te mitigeren.

Factoren om te Overwegen Bij Materiaalselectie

In het algemeen zijn de belangrijkste factoren die overwogen worden voor materialen, onder andere maar niet beperkt tot:

• Mechanische eigenschappen
• Corrosie-eigenschappen
• Totale eigendomskosten
• Beschikbaarheid
• Fabricagegemak

Voor belastingdragende toepassingen, worden mechanische eigenschappen gecontroleerd om structurele integriteit te garanderen. Mechanische eigenschappen van ingenieursmaterialen variëren sterk, afhankelijk van microstructuren, chemische samenstelling en productieprocessen. De variëteiten zijn internationaal of lokaal gestandaardiseerd door regerende instanties, zoals ASTM, ISO of JIS. Basis mechanische eigenschappen omvatten, maar zijn niet beperkt tot:

• Trekksterkte
• Impactenergie
• Uitrekking
• Hardheid
• Vermoeidheid
• Breuk toughness
• Kreeft
• Overige factoren afhankelijk van de specifieke toepassing

De eigenschappen worden doorgaans verkregen uit destructieve testen van monsters uit productieprocessen, en de resultaten worden vermeld in materiaalcertificaten. Gespecialiseerde mechanische testen worden echter vooraf uitgevoerd om geschillen tussen kopers en fabrikanten te voorkomen.

Materialen degraderen over tijd door omgevingsgeïnduceerde reacties genaamd corrosie. Omgevingscorrosiviteit varieert afhankelijk van de aard van de omgeving, geselecteerde materialen en toepassing. Materialen moeten correct geselecteerd worden om betrouwbaarheid en veilige operatie tijdens de toepassingslevensduur te garanderen.

Corrosie kan geïnduceerd worden vanuit de atmosfeer, grond, water, chemicaliën, olie en gas, en micro-organismen, en door verschillende corrodenten die verschillende typen corrosie veroorzaken. Materiaalselectie met het doel om corrosie te mitigeren gebruikt doorgaans het volgende:

• Thermodynamische corrosiediagrammen/tabellen
• Corrosiemodellen
• Chemische compatibiliteitstabellen
• Laboratoriumtesten (potentiodynamische polarisatie, immersie, electrochemische impedantiespectroscopie, stress corrosiescheuring)
• Technologielicentiaanbevelingen
• Operationele feedback

Thermodynamische Corrosiediagrammen/Tabellen

Corrosiediagrammen/tabellen zijn gebaseerd op dataverzameling uit laboratoriumtesten en/of veldprestaties. De verzamelde data zijn gebaseerd op parameters bestudeerd in laboratoriumtesten of veldtesten.

Corrosiemodellen

Corrosiemodellen worden gebruikt om corrosiesnelheden te voorspellen op basis van empirische formules. De modellen worden gebruikt in de vorm van proprietaire softwareprogramma's of in excel bladen met invoerparameters ingevoerd. Er zijn modellen voor CO₂ corrosie, zuurstofcorrosie en scheurgroeisnelheid. De nauwkeurigheid van modellen kan variëren, aangezien niet alle corrosieparameters in de modellen kunnen worden opgenomen, die empirisch gegenereerd zijn uit experimenteel verkregen data.

Chemische Compatibiliteitstabellen

Chemische compatibiliteitstabellen of diagrammen zijn kwalitatieve hulpmiddelen gebruikt om compatibiliteit tussen de omgevingscondities en de geselecteerde materialen voor een toepassing te bepalen. Voor sommige situaties zijn additionele onderzoeken en testen vereist om de compatibiliteit van een geselecteerd materiaal beter te bepalen.

Laboratoriumtesten

Laboratoriumtesten worden uitgevoerd voor gevallen waar analytische data nodig zijn om de prestaties van geselecteerde materialen in gesimuleerde omgevingscondities te evalueren. De omgevingscondities, laboratoriumopstellingen en experimentele condities worden gerangschikt in een gelaboreerde omgeving gestandaardiseerd om te garanderen dat de verkregen data de parameters vertegenwoordigen die gebruikt worden voor effectieve en geschikte materiaalselectie.

Technologielicentiaanbevelingen

Sommige verwerkingstechnologieën zijn proprietair, en de know-how arrangementen zijn in handen van licentiegevers. Materialen geselecteerd door licentiegevers vertegenwoordigen vaak de minimale eisen voor garandedoeleinden.

Operationele Feedback

Operationele feedback uit daadwerkelijke ervaringen is waardevol omdat ze real-time, veld-gebaseerde data bieden. Historische dataverzameling (operationele parameterveranderingen, materiaalcertificaten, Lasprocedure Specificatie (WPS)/ Procedure Kwalificatieregistraties (PQR), inspectierapporten, falingsanalyserapporten, etc.) zijn cruciaal om geschikte materiaalselectie te garanderen.

De Kosten van Materiaalselectiebeslissingen Beoordelen

Kosten zijn een belangrijke overweging voor materiaalselectie, en het evenwicht van kapitaaluitgaven (CAPEX) en operationele uitgaven (OPEX) is cruciaal. Materialen- en corrosie-ingenieurs moeten materialen selecteren die voldoen aan de overwegingen van budget en kosten alsook prestaties. Het belang van CAPEX ligt niet alleen in de bulkmaterialen geselecteerd, maar ook in de fabricageprocessen en productvormen. De impact van OPEX ligt in de reparatie en vervanging van gecorrodeerde materialen, en de corrosiebeheersing, corrosiemonitoring en corrosieremmerinjektie. Het gebruik van koolstofstaal kan laag CAPEX zijn, maar hoog OPEX, en het gebruik van roestvrij staal beïnvloedt elk in de tegenovergestelde richting.

Materiaalbeschikbaarheid speelt ook een cruciale rol, met name met betrekking tot projectplanning. Gebruik van proprietaire materialen kan bijvoorbeeld langer duren dan gebruikelijk in levering vanwege beperkingen gerelateerd aan leveranciers, lage hoeveelheden, of voorraden die minimum bestelhoeveelheden kunnen vereisen, in situaties die de kosten kunnen verhogen.

Moeilijk te fabriceren materialen kunnen de projectplanning aanzienlijk beïnvloeden als niet vroegtijdig gepland, met name wanneer in grote hoeveelheden gebruikt. Bijvoorbeeld, materialen die na-lassen warmtebehandeling (PWHT) nodig hebben, kunnen duizenden lassen in olie- en gasfaciliteiten vereisen, alsook duizenden manuren om PWHT vereisten te accommoderen. Moeilijk te lassen materialen kunnen de lassnelheden vertragen en reparatietarieven verhogen.

Conclusie

Materiaalselectie omvat complexe procedures, die begrip vereisen van falingsgevoeligheden en corrosiebeheersmethoden, alsook samenwerking tussen de verschillende engineering disciplines.