Een diepgaande kijk op materiaalselectie

Materiaalkeuze is een belangrijke corrosiebeheersingsmethode in technisch ontwerp. Het speelt een rol bij de effectieve schatting van projectkosten, bouwplanning en veilige operaties.

De fundamentele concepten van materiaalkeuze zijn onder meer:

• Materiaaltypen :Dit omvat het brede scala aan beschikbare materialen die kunnen worden geselecteerd.
• Materiaaleigenschappen :Dit heeft betrekking op het onderzoeken van de mechanische, fysieke en corrosiebestendige eigenschappen die voldoen aan de vereisten voor specifieke toepassingen/gebruiken.
• Materiaaleconomie: Dit betreft de kosten van eigendom, vermogen, onderhoud en exploitatie van diverse materialen.

Een overzicht van veelgebruikte materialen

Er zijn veel technische materialen in de industrie. Hier zullen we de eigenschappen van enkele van de meest voorkomende bekijken.

Koolstofstaal

Koolstofstaal verwijst naar een familie van metalen op ijzerbasis met minder dan 2% koolstof. Koolstofstaal is de meest gebruikte materialen dankzij hun gemak van fabricage, lage kosten, beschikbaarheid en hoge sterkte. Koolstofstaal wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van structurele componenten tot hogedrukapparatuur.

Koolstofstaal dat gelegeerd is met kleine toevoegingen van chroom, molybdeen, vanadium en niobium wordt beschouwd als laaggelegeerd staal. De legeringselementen vormen carbiden in de microstructuur, waardoor de sterkte en betrouwbaarheid van de materialen bij hoge temperaturen toenemen, zoals in ketels van elektriciteitscentrales.

Bij temperaturen onder het vriespunt heeft koolstofstaal minder taaiheid, dus wordt nikkel toegevoegd om de taaiheid te behouden. Met hogere nikkelhoeveelheden neemt het bereik voor lagere temperaturen toe, vooral voor toepassingen met vloeibare gassen om brosse breuken in apparatuur voor vloeibaar aardgas (LNG) en vloeibaar petroleumgas (LPG) te voorkomen.

Gietijzer

Gietijzer is een metaal op ijzerbasis, met meer dan 2% koolstof. Het is goedkoop en heeft geen extra behandeling nodig om het koolstofgehalte te verlagen. Het is echter bros en heeft een beperkte lasbaarheid. Het wordt gebruikt voor niet-kritieke onderdelen in waterpompen en leidingen en heeft een corrosieweerstand die vergelijkbaar is met die van koolstofstaal. Grijs gietijzer en nodulair/nodulair gietijzer zijn de meest voorkomende soorten gietijzer.

Roestvrij staal (RVS)

Roestvast staal is een staalsoort met minimaal 11% chroom in combinatie met nikkel, molybdeen en stikstof. Roestvast staal wordt betrouwbaar gebruikt in corrosieve omgevingen in verschillende energie-, chemische en petrochemische industrieën. Er zijn verschillende soorten roestvast staal, afhankelijk van de legeringsinhoud en microstructuren.

Lees: Een inleiding tot roestvrij staal

Ferritisch roestvrij staal
Ferritische roestvaste staalsoorten zijn de meest economische soorten en hebben een zeer laag nikkelgehalte. Ze zijn gevoelig voor overgevoeligheid en moeilijk te lassen en worden daarom gebruikt voor ongelaste componenten. Ondanks hun matige corrosieweerstand, zijn ferritische roestvaste staalsoorten bestand tegen chloride-ondersteunde spanningscorrosiescheuren (SCC).

Martensitisch roestvrij staal
Martensitisch roestvast staal heeft een laag nikkelgehalte, met een reeks toepassingen die vergelijkbaar zijn met die van ferritisch roestvast staal. Ze hebben een hoge sterkte en er zijn veel pijpleidingen gemaakt van martensitisch roestvrij staal. Door hun hoge hardheid worden ze bij voorkeur gebruikt tegen erosie.

Austenitisch roestvrij staal
Austenitisch roestvast staal is het meest gebruikte roestvast staal in de industrie. Met een hoger nikkelgehalte hebben ze een goede corrosieweerstand en zijn ze gemakkelijk te vervaardigen. Er zijn verschillende soorten austenitisch roestvast staal om uit te kiezen, afhankelijk van de corrosiviteit van de omgeving. Sommige lager gelegeerde soorten hebben een lage weerstand tegen chloride SCC. Austenitisch roestvast staal wordt veelvuldig gebruikt in cryogene toepassingen.

Lees: 12 dingen die u moet weten over austenitisch roestvrij staal

Duplex roestvrij staal
Duplex roestvast staal heeft dubbele microstructuren, ferritisch en austenitisch, met gecombineerde eigenschappen. Ze hebben een hoge sterkte en een zeer goede corrosieweerstand, vooral tegen chloride-geassisteerde SCC, waardoor ze goed zijn voor gebruik in offshore-toepassingen. Duplex roestvast staal erft echter de lagere sterkte van de ferritische fase.

Met precipitatie gehard roestvrij staal
Neerslaggehard roestvast staal heeft een hoge sterkte en taaiheid, van austenitische, semi-austenitische of martensitische microstructuren, afhankelijk van de warmtebehandeling. Hoewel ze goed lasbaar zijn, zijn hun toepassingen beperkt, zoals voor hoogwaardige veren.

legeringen

Een legering combineert verschillende metalen, waardoor verschillende eigenschappen mogelijk zijn. Hier zijn enkele van de meest voorkomende legeringen en hun belangrijkste kenmerken.

Nikkellegeringen

Nikkellegeringen hebben een uitzonderlijke corrosieweerstand, maar ze zijn duur vanwege hun hoge nikkelgehalte, dat meestal wordt toegevoegd in combinatie met andere legeringselementen zoals molybdeen. Er zijn veel soorten nikkellegeringen die op merknaam worden aangeduid, zoals Hastelloy, Incoloy, Monel, enz. Deze namen hebben betrekking op verlopen patenten, maar de naamgeving blijft bestaan. Nikkellegeringen zijn bestand tegen chloride-ondersteunde SCC en sulfide-ondersteunde SCC.

Webinar: De corrosieweerstand van nikkellegeringen

Aluminiumlegeringen

Aluminiumlegeringen hebben een goede sterkte-gewichtsverhouding en een goede corrosieweerstand. Ze zijn echter gevoelig voor galvanische corrosie wanneer ze in contact komen met metalen op ijzerbasis. Omdat aluminium een ​​lage smelttemperatuur heeft, is de toepassing van aluminiumlegeringen beperkt tot toepassingen bij lage temperaturen. Vanwege hun uitstekende thermische prestaties en behoud van taaiheid, worden aluminiumlegeringen gebruikt in cryogene toepassingen, zoals warmtewisselaars in de LNG-industrie.

Koperlegeringen

Koperlegeringen worden vaak gebruikt in zeewateromgevingen en warmtewisselaars. Ze hebben een hoge weerstand tegen biofouling, met name microfouling, en stagnerende omstandigheden die lokale corrosie kunnen veroorzaken, evenals corrosie die verband houdt met overmatige stroming. Sommige koperlegeringen zijn gevoelig voor SCC in omgevingen die ammoniak bevatten.

Titaniumlegeringen

Titaniumlegeringen hebben een goede sterkte-gewichtsverhouding en een hoge corrosieweerstand in omgevingen met veel chloride. Ze zijn echter duur en moeilijk te vervaardigen. Ongelegeerd titanium wordt veel gebruikt in de industrie en is zuiniger dan andere titaniumsoorten.

Lees: 5 dingen die u moet weten en begrijpen over titaniumcorrosie

Keramiek

Vanwege hun brosse aard - en ondanks hun hoge corrosieweerstand - wordt keramiek niet gebruikt in drukhoudende apparatuur. Keramiek wordt gebruikt in apparatuur en onderdelen voor hoge temperaturen, zoals vuurvaste materialen, en voor bescherming tegen slijtage. Keramiek voor vuurvaste materialen bestaat over het algemeen uit een combinatie van oxiden van aluminium, magnesium en silicium. Voor slijtvastheid is keramiek samengesteld uit carbiden of nitriden.

Polymeren

Polymeren worden gebruikt als thermoplasten, thermoharders en elastomeren. De meeste polymeren zijn zeer corrosiebestendig, zelfs meer dan veel corrosiebestendige legeringen. Polymeren hebben echter een lage sterkte, lage smeltpunten en een beperkte UV-bestendigheid. In corrosieve, hogedruktoepassingen kunnen polymeren worden gebruikt voor corrosiebestendige voeringen op metalen oppervlakken. HDPE, PVC en PTFE zijn voorbeelden van thermoplasten, maar ondanks dat ze tot dezelfde groep behoren, hebben ze verschillende eigenschappen en toepassingen. Thermoharders worden meestal niet gebruikt als vaste materialen, maar als coatings of in een matrix van een composiet. Elastomeren hebben unieke mechanische eigenschappen en worden gebruikt voor het afdichten van componenten in veel toepassingen onder druk.

Lees: De corrosie van polymere materialen

Composieten

Composieten zijn een combinatie van twee of meer materialen om beide eigenschappen van beide te bereiken en dus optimale eigenschappen voor een bepaalde toepassing. De meest voorkomende composieten in de industrie combineren glasvezelversterkt in polymeermatrix en staalversterkt in betonmatrix. Vezel geeft een hoge sterkte en matrix geeft taaiheid, waardoor de spanning gelijkmatig wordt verdeeld. Versterkingsvezels kunnen gemaakt zijn van glas, metaal, koolstof en andere polymeren zoals aramide. E-glas is een veelgebruikte vezel en er zijn andere soorten glas die geschikt zijn voor verschillende toepassingen, zoals C-glas voor chemische weerstand of R-glas voor weerstand tegen vermoeiing. Thermohardend polymeer is een veelgebruikte composietmatrix die gemakkelijk te vervaardigen is en goede mechanische en corrosiebestendige eigenschappen heeft. Thermoplastisch polymeer wordt niet zo vaak gebruikt als thermohardend polymeer en wordt vanwege zijn hoge ductiliteit meestal gebruikt voor oprolbare buizen.

Met staal gewapend beton is een essentieel constructiemateriaal en corrosie van staal komt voor in corrosieve omgevingen zoals die van zeewater en afvalwater. Coatings, kathodische bescherming en het gebruik van roestvrij staal worden gebruikt om corrosie te verminderen.

Te overwegen factoren als het gaat om materiaalselectie

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

• Mechanische eigenschappen
• Corrosie-eigenschappen
• Totale eigendomskosten
• Beschikbaarheid
• Gemak van fabricage

Voor dragende toepassingen worden de mechanische eigenschappen gecontroleerd om de structurele integriteit te waarborgen. Mechanische eigenschappen van technische materialen variëren sterk, afhankelijk van microstructuren, chemische samenstelling en productieprocessen. De rassen zijn internationaal of lokaal gestandaardiseerd door bestuursorganen, zoals ASTM, ISO of JIS. Mechanische basiseigenschappen omvatten, maar zijn niet beperkt tot:

• Treksterkte
• Inslagenergie
• Verlenging
• Hardheid
• Vermoeidheid
• Breeksterkte
• Griezel
• Andere factoren afhankelijk van de specifieke toepassing

De eigenschappen worden gewoonlijk verkregen door destructieve testen van monsters uit productieprocessen en de resultaten worden vermeld in materiaalcertificaten. Er worden echter vooraf gespecialiseerde mechanische tests uitgevoerd om geschillen tussen kopers en fabrikanten te voorkomen.

Materialen degraderen in de loop van de tijd door door de omgeving veroorzaakte reacties die corrosie worden genoemd. Corrosiviteit in de omgeving varieert afhankelijk van de aard van de omgeving, geselecteerde materialen en toepassing. Materialen moeten op de juiste manier worden geselecteerd om betrouwbaarheid en veilige werking tijdens de levensduur van de toepassing te garanderen.

Corrosie kan worden veroorzaakt door de atmosfeer, bodem, water, chemicaliën, olie en gas en micro-organismen, en door verschillende corrosieve stoffen die verschillende soorten corrosie veroorzaken. Bij de materiaalkeuze voor het verminderen van corrosie wordt in het algemeen het volgende gebruikt:

• Thermodynamische corrosiediagrammen/tabellen
• Corrosiemodellen
• Chemische compatibiliteitstabellen
• Laboratoriumtesten (potentiodynamische polarisatie, onderdompeling, elektrochemische impedantiespectroscopie, spanningscorrosie)
• Aanbevelingen van technologielicentiegever
• Operationele feedback

Thermodynamische corrosiediagrammen/grafieken

Corrosiediagrammen/grafieken zijn gebaseerd op gegevensverzameling van laboratoriumtests en/of veldprestaties. De verzamelde gegevens zijn gebaseerd op parameters die zijn bestudeerd in laboratoriumtests of veldtesten.

Corrosiemodellen

Corrosiemodellen worden gebruikt om corrosiesnelheden te voorspellen op basis van empirische formules. De modellen worden gebruikt in de vorm van propriëtaire softwareprogramma's of in Excel-sheets met invoerparameters. Er zijn modellen voor CO₂ corrosie, zuurstofcorrosie en scheurgroeisnelheid. De nauwkeurigheid van modellen kan variëren, omdat niet alle corrosieparameters kunnen worden opgenomen in de modellen, die empirisch worden gegenereerd op basis van experimenteel verkregen gegevens.

Chemische compatibiliteitstabellen

Chemische compatibiliteitstabellen of grafieken zijn kwalitatieve hulpmiddelen die worden gebruikt om de compatibiliteit tussen de omgevingsomstandigheden en de geselecteerde materialen voor een toepassing te bepalen. Voor sommige situaties zijn aanvullende onderzoeken en tests nodig om de compatibiliteit van een geselecteerd materiaal beter te kunnen bepalen.

Laboratoriumtesten

Laboratoriumtests worden uitgevoerd voor gevallen waarvoor analytische gegevens nodig zijn om de prestaties van geselecteerde materialen in gesimuleerde omgevingsomstandigheden te evalueren. De omgevingsomstandigheden, laboratoriumopstellingen en experimentele omstandigheden zijn gerangschikt in een gestandaardiseerde laboratoriumomgeving om ervoor te zorgen dat de verkregen gegevens de parameters vertegenwoordigen die worden gebruikt voor een effectieve en geschikte materiaalkeuze.

Aanbevelingen voor technologielicentiegevers

Sommige verwerkingstechnologieën zijn eigendom van het bedrijf en de knowhowregelingen zijn eigendom van licentiegevers. Door licentiegevers geselecteerde materialen vertegenwoordigen vaak de minimumvereisten voor garantiedoeleinden.

Operationele feedback

Operationele feedback van feitelijke ervaringen is waardevol omdat ze realtime, veldgebaseerde gegevens bieden. Historische gegevensverzameling (wijzigingen van operationele parameters, materiaalcertificaten, Lasprocedurespecificatie (WPS) / Procedure Qualification Records (PQR), inspectierapporten, storingsanalyserapporten, enz.) zijn cruciaal om een ​​geschikte materiaalkeuze te garanderen.

De kosten van materiaalselectiebeslissingen beoordelen

De kosten spelen een belangrijke rol bij de materiaalkeuze en de balans tussen kapitaaluitgaven (CAPEX) en bedrijfskosten (OPEX) is cruciaal. Materialen en corrosie-ingenieurs moeten materialen selecteren die voldoen aan de overwegingen van budget, kosten en prestaties. De betekenis van CAPEX ligt niet alleen in de gekozen bulkmaterialen, maar ook in de fabricageprocessen en productvormen. De impact van OPEX ligt in de reparatie en vervanging van gecorrodeerde materialen, en de corrosiecontrole, corrosiemonitoring en injectie van corrosieremmer. Het gebruik van koolstofstaal kan een lage CAPEX hebben, maar een hoge OPEX, en het gebruik van roestvrijstalen effecten elk op de tegenovergestelde manier.

Beschikbaarheid van materialen speelt ook een cruciale rol, vooral met betrekking tot de projectplanning. Het gebruik van gepatenteerde materialen kan bijvoorbeeld langer duren dan normaal bij de levering vanwege beperkingen met betrekking tot de leveranciers, lage hoeveelheden of voorraden waarvoor bestellingen met een minimale hoeveelheid nodig kunnen zijn, in situaties die de kosten kunnen verhogen.

Moeilijk te fabriceren materialen kunnen een aanzienlijke invloed hebben op het projectschema als ze niet vroeg worden gepland, vooral wanneer ze in grote hoeveelheden worden gebruikt. Materialen die een warmtebehandeling na het lassen (PWHT) nodig hebben, kunnen bijvoorbeeld duizenden lasverbindingen in olie- en gasfaciliteiten vereisen, evenals duizenden manuren om aan de PWHT-vereisten te voldoen. Moeilijk te lassen materialen kunnen de lassnelheden vertragen en de reparatiesnelheid verhogen.

Conclusie

De materiaalkeuze omvat complexe procedures, die inzicht vereisen in de storingsgevoeligheden en methoden voor corrosiebeheersing, evenals samenwerking tussen de verschillende technische disciplines.