Valve Corrosion & Protection under High-Temperature Conditions

в промышленном производстве,клапан, клапанКак ключевой компонент для контроля потока жидкости, часто необходимо работать в высокотемпературной среде. однако высокотемпературные условия создают серьезные проблемы для характеристик клапанных материалов. металлические материалы подвержены коррозии при высоких температурах, что не только снижает их механическую прочность и пластичность, но и может привести к выходу из строя клапана, тем самым вызывая аварии безопасности. поэтому понимание типов высокотемпературной коррозии и их влияющих факторов, а также принятие эффективных защитных мер имеют решающее значение для обеспечения надежности и безопасностиклапан, клапан.

в высокотемпературных условиях материалы клапана сталкиваются с различными формами коррозии. эти типы коррозии имеют различные характеристики и в разной степени влияют на характеристики и срок службы клапанов. Ниже приведены несколько распространенных типов высокотемпературной коррозии.

окисление является наиболее распространенной формой высокотемпературной коррозии. Когда металлический материал клапана контактирует с кислородом при высоких температурах, на металлической поверхности образуется оксидная чешуя. это явление обычно происходит в богатой кислородом среде горения в печах и котлах, где содержание кислорода в воздухе составляет около 20%. большинство сплавов, включая углеродистую сталь и низколегированную сталь, испытывают общее разрежение при окислении. по мере повышения температуры и увеличения времени экспозиции внешняя поверхность компонентов клапана покрыта слоем оксидной накипи. Нержавеющая сталь серии 300 и сплавы на основе никеля также образуют тонкий темный оксидный слой при чрезвычайно высоких температурах, что приводит к чрезмерным потерям металлов.

Сульфидация относится к реакции определенных элементов в клапанном сплаве со сульфидами в высокотемпературной среде, вызывая коррозию углеродистой стали и других сплавов. присутствие водорода ускоряет этот процесс коррозии. Все материалы на основе железа, включая углеродистую сталь, низколегированную сталь, нержавеющую сталь серии 300, нержавеющую сталь серии 400 и сплавы на основе никеля, восприимчивы к сульфированию. однако химический состав сплавов на основе никеля оказывает существенное влияние на сульфирование, особенно на содержание хрома. Славы на основе меди образуют сульфиды при более низких температурах, чем углеродная сталь. Основными факторами, влияющими на сульфирование, являются состав сплава, рабочая температура клапана и концентрация коррозионных сульфидов.

Когда металлический материал клапана контактирует с углеродсодержащими материалами или средой карбирования, углерод диффузируется в металлический материал при высоких температурах. углеродистая сталь, низколегированная сталь, нержавеющая сталь серии 300, нержавеющая сталь серии 400 и сплавы на основе никеля с высоким содержанием железа (например, сплавы 600 и 800) могут испытывать углерождение. Углеродирование требует трех условий: воздействие углеродистых сред или углеродистых материалов; достаточно высокая температура (обычно выше 593°C), чтобы углерод распространялся в металл; и восприимчивые материалы. Карбюризация приводит к снижению пластичности при ползучести при высокой температуре, снижению механических свойств при комнатной температуре (особенно прочности и пластичности), а также снижению сварочности и коррозионной стойкости.

Обезуглеродизация относится к удалению углерода и карбидов из клапанной стали в высокотемпературной среде, что приводит к снижению прочности стали. этот процесс обычно происходит во время термообработки в высокотемпературной среде, включая воздействие огня или высокотемпературной газовой атмосферы. углеродистая сталь и низколегированная сталь более подвержены обезуглеродированию. Ключевыми факторами обезуглеродирования являются время, температура и углеродная активность в технологической жидкости. металлические материалы должны подвергаться воздействию газовой фазы с низкой углеродной активностью, чтобы углерод в стали диффузировался на поверхность и реагировал с компонентами газовой фазы. степень и глубина обезуглеродирования тесно связаны с температурой и временем воздействия.

металлическая пыль — это особая форма углеродирования, которая обычно происходит в углеродистых газах или технологических жидкостях, содержащих углерод и водород, что приводит к ускоренному локальному питингу. ямы обычно образуются на поверхности и могут содержать угольную золу или графитовую пыль. низколегированная сталь, нержавеющая сталь серии 300, сплавы на основе никеля и термостойкие сплавы могут испытывать металлическую пыль. не обнаружено никакого металлического сплава, устойчивого к металлической пыли при всех условиях. металлическая пыль обычно происходит в температурном диапазоне от 482 °C до 816 °C, а повреждение увеличивается с температурой. его механизм включает в себя насыщение металлической матрицы путем карбюризации, осаждение карбидов металлов на поверхности металла и границах зерен, осаждение графита на карбидах на поверхности металла, разложение карбидов металлов на металлические частицы и графит, а также дальнейшее осаждение графита, катализируемое металлическими частицами на поверхности.

когда некоторые сплавы подвергаются воздействию технологических жидкостей с высоким содержанием азота (например, аммиака или цианидов) при высоких температурах, особенно в восстановительных условиях, на поверхности образуется твердый и хрупкий поверхностный слой. углеродистая сталь, низколегированная сталь, нержавеющая сталь серии 300 и нержавеющая сталь серии 400 могут подвергаться азотированию. Азотирование связано с температурой, временем, парциальным давлением азота и составом металла и представляет собой процесс, который позволяет азоту диффузировать в металлическую матрицу. азотирование начинается выше 316°C и становится более серьезным выше 482°C. высокая газофазная активность азота (высокое парциальное давление азота) способствует азотированию. азотирование может привести к снижению прочности на ползучесть при высоких температурах, механических свойств при комнатной температуре (особенно вязкости и пластичности), сваряемости и коррозионной стойкости.

На скорость и степень высокотемпературной коррозии влияют различные факторы, которые коллективно определяют коррозионную стойкость клапанных материалов в высокотемпературных условиях. понимание этих факторов помогает принимать более рациональные решения на этапах проектирования и выбора материалов, тем самым повышая срок службы и надежность клапанов.

Рабочая температура клапанов является одним из ключевых факторов, влияющих на высокотемпературную коррозию. Как правило, чем выше температура, тем быстрее скорость коррозии. например, углеродистая сталь подвергается окислению при температуре выше 538 °C, при этом скорость потерь металла увеличивается с повышением температуры. Сульфирование сплавов на основе железа обычно начинается при температурах выше 260°C, в то время как пыль металла обычно происходит в температурном диапазоне от 482°C до 816°C. поэтому при выборе материалов клапана необходимо учитывать их коррозионную стойкость при фактической рабочей температуре.

Состав сплава имеет решающее значение для высокотемпературной коррозии. Хром является основным сплавным элементом, влияющим на устойчивость к окислению и сульфированию. увеличение содержания хрома может получить больше защитных оксидных или сульфидных чешуек, тем самым повышая коррозионную стойкость материала. например, нержавеющая сталь серии 300, обладающая более высоким содержанием хрома, обладает сильной устойчивостью к окислению и сульфированию. устойчивость к сульфированию и азотированию сплавов на основе никеля также тесно связана с их содержанием хрома. Кроме того, другие сплавные элементы, такие как кремний и алюминий, также могут улучшить коррозионную стойкость материала, но их содержание должно быть ограничено в зависимости от реальной ситуации, поскольку они могут оказать негативное влияние на механические свойства.

Концентрация коррозионных сред также является важным фактором, влияющим на высокотемпературную коррозию. например, чем выше концентрация сульфидов, тем быстрее скорость сульфирования. Клапаны в трубопроводах, работающих в высокотемпературной серсосодержащей жидкости среде, более подвержены сульфизации. аналогично концентрация азотных соединений также влияет на скорость азотирования. Поэтому при проектировании и выборе клапана следует в полной мере учитывать концентрацию и тип коррозионной среды для выбора подходящих материалов и защитных мер.

в высокотемпературных условиях выбор подходящих материалов клапана и принятие эффективных защитных мер являются ключом к обеспечению характеристик клапана и продлению срока службы. Ниже приведены некоторые конкретные стратегии отбора и защиты.

выбор подходящих материалов клапана имеет решающее значение для предотвращения коррозии в высокотемпературных условиях. Для устойчивости к окислению и сульфидированию обычно выбираются сплавы с более высоким содержанием хрома. Нержавеющая сталь серии 300 и сплавы на основе никеля обладают хорошей устойчивостью к окислению и сульфированию благодаря своему высокому содержанию хрома. Для устойчивости к углероду следует выбрать сплавы с элементами, образующими сильную поверхностную оксидную или сульфидную пленку (например, кремний и алюминий). Сплавы на основе никеля обладают хорошей стойкостью к азотированию благодаря своему более высокому содержанию никеля, а для изготовления клапанов для предотвращения азотирования обычно используются сплавы на основе никеля, содержащие от 30% до 80% никеля. Кроме того, в соответствии с конкретной средой применения и условиями коррозии можно выбрать другие подходящие сплавные материалы.

Помимо выбора правильных материалов, обработка поверхности также является эффективным способом повышения коррозионной стойкости клапанов. например, алюминиевая диффузионная обработка клапанных компонентов может снизить скорость сульфирования и пыль металла в некоторых применениях. этот способ обработки образует богатый алюминием защитный слой на металлической поверхности, тем самым повышая коррозионную стойкость материала. однако следует отметить, что этот метод обработки не обеспечивает полной защиты, поэтому при его выборе необходимо взвесить конкретную среду приложения.

В реальном производстве контроль условий процесса также может эффективно замедлить высокотемпературную коррозию. Например, контроль концентрации кислорода, сульфидов и азотных соединений в технологической жидкости может снизить скорость коррозии. Кроме того, разумное проектирование конструкции клапана во избежание концентрации напряжений и локального перегрева также помогает улучшить коррозионную стойкость клапана.

Высокотемпературная коррозия является распространенной проблемой для клапанов в высокотемпературных условиях, которая может привести к ухудшению механических свойств клапанного материала и даже к авариям безопасности. понимание типов высокотемпературной коррозии и их влияющих факторов, а также принятие эффективных защитных мер имеют решающее значение для обеспечения надежности и безопасности клапанов. путем выбора подходящих материалов, выполнения обработки поверхности и контроля условий процесса коррозионная стойкость клапанов может быть эффективно улучшена и их срок службы может быть продлен. В практическом применении необходимо всесторонне учитывать различные факторы в соответствии с конкретной рабочей средой и условиями коррозии и выбрать наиболее подходящую схему защиты для обеспечения безопасной работы клапана.