Материалы и коррозия

Химическая стойкость материалов насосов в кислотах, хлоре и щелочах

Химическая стойкость материалов насосов определяется не названием кислоты, а её концентрацией, температурой и примесями. Для азотной кислоты обычно хватает стали 12Х18Н9ТЛ, для серной и фосфорной нужна 06ХН28МДТ, в соляной и плавиковой кислотах нержавеющие стали непригодны.

От чего зависит стойкость металла в насосе

Одна и та же сталь может быть полностью стойкой в кислоте одной концентрации и разрушаться за недели при другой. Поэтому в справочниках стойкость указывают не для кислоты вообще, а для сочетания концентрации и температуры. Скорость коррозии выражают уменьшением толщины металла в миллиметрах в год, для оценки чаще всего используют десятибалльную шкалу.

Для насоса к табличным данным добавляются свои условия:

• Скорость потока. В рабочем колесе и улитке жидкость движется быстро, защитная плёнка на металле срывается, и износ идёт быстрее, чем в ёмкости с той же средой.
• Примеси. Хлорид-ионы в серной кислоте или фториды в фосфорной резко снижают стойкость нержавеющих сталей, хотя в чистой кислоте сталь держится.
• Окислители и аэрация. Растворённый кислород или азотная кислота поддерживают пассивную плёнку на хромоникелевых сталях и титане, в восстановительной среде плёнка разрушается.
• Твёрдые частицы. Абразив снимает пассивный слой, и коррозия идёт вместе с эрозией.
• Температура. Нагрев на каждые 10-20 °C заметно ускоряет коррозию, а для серной кислоты может перевести сталь из стойких в нестойкие.

Отсюда правило: справочную таблицу используют для предварительного выбора, а для ответственных насосов на реальной среде проверяют образцы или запрашивают данные изготовителя.

Материалы проточной части отечественных насосов

В обозначении химических насосов Х, АХ, АХП материал проточной части указывают буквой. Разные изготовители и годы выпуска дают для одной буквы близкие, но не всегда одинаковые марки, поэтому при заказе запчастей смотрите паспорт насоса.

У насосов общего назначения своя система букв. У насосов Д, например, без буквы выпускается корпус из серого чугуна СЧ25, буква А означает углеродистую сталь 25Л, К - сталь типа 12Х18Н9ТЛ, Б - бронзовое колесо. Как читать полную маркировку химических насосов, разобрано в статье химические насосы АХ, АХО, АХП: расшифровка маркировки.

Молибден в стали Е заметно повышает стойкость к точечной и щелевой коррозии по сравнению с 12Х18Н10Т, а медь и высокий никель в стали И рассчитаны на восстановительные кислоты, прежде всего серную.

Азотная кислота: где хватает обычной нержавейки

Азотная кислота - окислитель, она сама поддерживает пассивную плёнку на хромистых и хромоникелевых сталях. Поэтому для неё обычно достаточно стали типа 12Х18Н10Т (исполнение К). Для сталей этого класса скорость коррозии в кипящей азотной кислоте при стандартном испытании по ГОСТ 6032 составляет порядка 0,2-0,4 мм/год.

• Молибден (исполнение Е) в азотной кислоте преимуществ не даёт, переплачивать за него смысла нет.
• Серый чугун и углеродистая сталь в разбавленной азотной кислоте быстро растворяются, для неё они непригодны.
• Титан в азотной кислоте стоек и применяется там, где к ней добавляются хлориды.

Слабое место нержавеющего насоса в азотной кислоте - сварные швы и литьё с дефектами: склонность к межкристаллитной коррозии. Поэтому выбирают стабилизированные титаном марки (буква Т в конце марки стали) или стали с низким углеродом.

Серная кислота: самая капризная среда

Поведение металлов в серной кислоте сильно зависит от концентрации. Разбавленная кислота восстановительная и активно растворяет сталь, концентрированная пассивирует железо.

• Хромоникелевая сталь 12Х18Н10Т в растворах серной кислоты имеет низкую стойкость, особенно при температурах, близких к 100 °C. При комнатной температуре и малой концентрации она может работать в пассивном состоянии, но запас мал.
• Сталь с молибденом (Е) держится лучше в разбавленных растворах, но при нагреве и средних концентрациях тоже теряет стойкость.
• Сталь 06ХН28МДТ (И) создана как раз для серной и фосфорной кислот, это основной металл для таких насосов.
• Углеродистая сталь и чугун применяют для концентрированной кислоты в хранилищах, но в насосе высокая скорость потока срывает пассивный слой, поэтому такой выбор допустим только по рекомендации изготовителя насоса.

Самая опасная зона - средние концентрации при нагреве. Если технологический режим проходит через неё, например при разбавлении кислоты, металлический насос подбирают с запасом или переходят на футерованные и неметаллические конструкции.

Соляная и плавиковая кислоты

Соляная кислота разрушает пассивную плёнку хлорид-ионами, поэтому нержавеющие стали всех классов для неё практически непригодны. Даже в 5-процентной кислоте, которой промывают теплообменники, стали 12Х18Н10Т и 10Х17Н13М2Т без ингибиторов заметно корродируют.

Титан в соляной кислоте ведёт себя неоднозначно. В неокислительных кислотах его стойкость обычно неудовлетворительная, но при наличии окислителя картина меняется: в исследованиях скорость коррозии не превышала 0,1 мм/год в кислоте до 3 моль/л при температуре до 110 °C и избыточном давлении кислорода более 7 бар. Для обычного насоса без окислителя на титан в соляной кислоте рассчитывать не стоит.

Плавиковая кислота разрушает и титан: интенсивная коррозия начинается уже при концентрации 1 % и нормальной температуре, а добавки окислителей скорость не снижают, а повышают. Для соляной и плавиковой кислот применяют насосы из фторопластов и других полимеров или с фторопластовой футеровкой.

Хлор, хлориды и щёлочи

Во влажном хлоре, хлорной воде и растворах хлоридов титан стоек благодаря прочной самовосстанавливающейся оксидной плёнке. Именно поэтому его широко применяют в цехах электролиза поваренной соли. Там же отмечены случаи разрушения титановых хлоропроводов, но причиной были блуждающие токи, а не сама среда. Сухой хлор - отдельный случай: влаги для восстановления плёнки нет, и применение титана в нём согласуют с изготовителем.

Хромоникелевые стали в хлоридных растворах подвержены точечной (питтинговой) и щелевой коррозии. Молибденсодержащие марки исполнения Е заметно устойчивее, но в горячих концентрированных хлоридах и они не выдерживают.

Щёлочи для металлов намного мягче кислот. Растворы гидроксида натрия при умеренной температуре перекачивают насосами из чугуна, углеродистой и нержавеющей стали. При нагреве концентрированных щелочей появляется опасность щелочной хрупкости напряжённых деталей, для таких режимов подбирают высоколегированные стали и никелевые сплавы, стойкость 06ХН28МДТ в растворах гидроксида натрия изучалась отдельно.

Сводная таблица стойкости по средам

Таблица для предварительного выбора при комнатной температуре и умеренных скоростях. Обозначения: + стойкий, огр. - ограниченно стойкий, нужна проверка по концентрации и температуре, - нестойкий.

Ячейка "огр." означает не запрет, а необходимость уточнить концентрацию, температуру и примеси по справочнику или у изготовителя. Готовые насосы в разных исполнениях смотрите в разделе химические насосы АХП, АХО, детали проточной части - в разделе запчасти для насосов АХ, АХО, АХП.

Уплотнения и прокладки: материал не менее важен

Часто корпус насоса выдерживает среду, а течь начинается через уплотнения. Подбирают их по той же логике.

• Эластомеры. Фторкаучук (FKM) стоек к большинству кислот и нефтепродуктов, этилен-пропиленовый каучук (EPDM) к щелочам и горячей воде, но не к маслам, нитрильный каучук (NBR) к маслам и топливу, но не к кислотам-окислителям.
• Фторопласт (PTFE). Практически универсален по химии, но течёт под нагрузкой, поэтому в прокладках его применяют с наполнителями или в оболочке.
• Сальниковая набивка. Для кислот используют фторопластовую и графитовую набивку, хлопчатобумажная и льняная с жировой пропиткой в агрессивных средах быстро разрушаются.
• Паронит. Марка ПОН - общего назначения, для воды, пара, масел; в кислотах применять её нельзя. Листы ПОН-Б есть в разделе паронит.

Для торцевых уплотнений в кислотах обычно выбирают пары трения карбид кремния по карбиду кремния или по графиту, металлические детали уплотнения - из той же или более стойкой стали, что и проточная часть.

Порядок выбора материала и безопасность

1. Записать состав среды: основное вещество, концентрацию (минимальную и максимальную), примеси, особенно хлориды и фториды.
2. Записать температуру, в том числе при пуске, промывке и пропарке.
3. Оценить содержание твёрдых частиц и скорость в насосе.
4. Выбрать по таблицам 2-3 материала-кандидата, исключить те, где хотя бы один режим попадает в зону "нестойкий".
5. Проверить материалы уплотнений, прокладок, крепежа, контактирующего со средой.
6. Согласовать выбор с изготовителем насоса или проверить образцы в реальной среде.

Частые вопросы

Источники

• ГОСТ 10168.1-85 Насосы центробежные химические. Типы и основные параметры, Госстандарт СССР, 1985
• Химические насосы типа Х: исполнения по материалу проточной части, НХ Насос
• Насосы центробежные двустороннего входа типа Д. Руководство по эксплуатации Н03.3.302.00.00.000 РЭ, ГМС Ливгидромаш
• Коррозионная стойкость титана в средах хлорного производства, Ползуновский вестник, АлтГТУ, 2008
• Коррозионная стойкость. Большая советская энциклопедия, Советская энциклопедия

Материал носит справочный характер. Перед ремонтом и заменой деталей сверяйтесь с паспортом и руководством по эксплуатации насоса. Заметили ошибку - напишите на admin@vvnpump.cc.