Zum Bewahren und Schützen

Aug 31, 2023

Wir denken oft, dass Metalle ewige Materialien sind, aber diese Vorstellung trifft nicht immer zu. Es müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Metalloberfläche vor Korrosion zu schützen. Die direkten Kosten von Korrosionsschäden in den Vereinigten Staaten belaufen sich auf über 280 Milliarden US-Dollar pro Jahr (laut ASM International). Sobald eine Metalloberfläche im Bearbeitungsprozess glänzend und blank erscheint, wirken thermodynamische und kinetische Faktoren beharrlich auf ihre Zerstörung ein. Wasser und Sauerstoff sind zwar lebenswichtig, sind aber keine Freunde, wenn es um die Korrosion von Metall geht. Auch Säuren, Ätzmittel und Schwebstoffe werden mitmachen und auf der Totenwache tanzen.

Zum Schutz der Investition sind für jede Art von Ausrüstung Konservierungs- und Lagerungsverfahren erforderlich. Die Unternehmenspolitik, Disziplin und Kultur, die zur Integration der Verfahren und zur ordnungsgemäßen Lagerung der Gegenstände erforderlich sind, sind von größter Bedeutung. In meiner Kolumne vom November 2016 habe ich die richtigen Schritte zur Konservierung von Pumpen und Ersatzteilen im Lager beschrieben. Für detailliertere Informationen konsultieren Sie bitte die genannte Kolumne von 2016 und/oder die Pumpen- und Dichtungshersteller.

Beachten Sie zunächst den Unterschied, dass Rost eine Art von Korrosion ist, aber nicht jede Korrosion gleich Rost ist. Es gibt mindestens zehn Grundtypen von Korrosion und allein mindestens sieben Arten von Lochfraß, die metallische Pumpenoberflächen angreifen. Im Allgemeinen lässt sich Korrosion in zwei verschiedene Typen unterteilen: generalisierte und lokalisierte. Allgemeine Korrosionsprobleme sind in der Regel leicht herauszufinden und zu beheben, lokale Probleme können sich jedoch als schwieriger zu diagnostizieren und zu beheben erweisen.

Die einfachste Maßnahme, die Sie für den externen Pumpenschutz ergreifen können, besteht darin, sicherzustellen, dass die Pumpe ordnungsgemäß lackiert/beschichtet wurde. Lacke oder andere technische Beschichtungssysteme sind ein relativ kostengünstiges und dennoch effizientes Schutzsystem. Lackierte Oberflächen, die während des Transports, der Installation oder der Wartung beschädigt wurden, müssen vor der Inbetriebnahme der Pumpe ausgebessert werden. Mängel im Lacksystem bessern sich nie von selbst und führen unweigerlich zu Korrosionsschäden. Es gibt spezielle Lacke für Hochtemperaturanwendungen sowie gefährliche chemische und maritime Umgebungen. Es gibt viele Unternehmen, die Metalloberflächen von Geräten aus legierten Stählen nicht lackieren.

Bedenken Sie, dass das angreifende Element auf viele Arten mit der Pumpenoberfläche in Kontakt kommen kann, einschließlich Nebel/Nebel/Tau/Dämpfe, Tropfen und Sprühnebel. Verstehen Sie, dass Wasser nicht in sichtbarer oder tröpfchenförmiger Form vorhanden sein muss; Feuchtigkeit kann das gesamte Wasser liefern, das für die Korrosion erforderlich ist.

Eine erste und entscheidende Entscheidung besteht darin, zu bestimmen, welches Material für die Anwendung am besten geeignet ist. Hierzu zählen sowohl die medienberührten Teile (Laufrad, Stopfbuchse und Gehäuse) als auch die übrigen Komponenten. Bedenken Sie, dass auch die nicht benetzten Teile einer rauen Umgebung ausgesetzt sind.

Es gibt nur wenige Lehrgänge zum Thema richtige Materialauswahl für die Industrie, aber es gibt mehrere Material-Nachschlagewerke. Ich bedauere, dass diese Kolumne nicht das richtige Forum für eine Vertiefung zu diesem Thema ist, da in der riesigen Matrix möglicher Anwendungen jeweils spezifische und einzigartige Details erforderlich sind, ganz zu schweigen von der Haftung. Ich biete Referenzen am Ende der Kolumne an. Weitere Quellen für relevante Informationen wären der Pumpenhersteller und formelle Netzwerke anderer Pumpenbenutzer mit ähnlichen und erfolgreichen Anwendungen wie das Hydraulic Institute oder das jährliche Texas A&M Turbomachinery & Pump Symposium. Das Cameron Hydraulic Data Book enthält einige grundlegende Materialinformationen. Im Pumpenhandbuch ist diesem Thema ein ganzes Kapitel gewidmet.

Selbst das beste Lehrbuch kann Ihnen nicht die endgültige Entscheidung abnehmen. Eine Pumpe der Materialwahl „X“ eignet sich gut zum Pumpen von kühlem Meerwasser im Dauerbetrieb, versagt jedoch schnell beim Pumpen von warmem Meerwasser im intermittierenden Betrieb. Ein anderes Pumpenmaterial „Y“ funktioniert im Säurebetrieb viele Jahre lang zufriedenstellend, aber wenn die Flüssigkeitsgeschwindigkeit erhöht wird oder sich der Lösungsanteil auch nur geringfügig ändert, fällt die Pumpe innerhalb kurzer Zeit aus. Einige austenitische Edelstähle der Serie 300 funktionieren gut, bis Chloride und Materialspannungen vorhanden sind. Andere Materialien funktionieren einwandfrei, bis sie Neutronenstrahlung ausgesetzt werden, wodurch sie spröde werden. Auf den Öl- und Gasmärkten wird sich Edelstahl in den meisten Anwendungen behaupten, bis der H2S-Gehalt (Schwefelwasserstoff ist ein farbloses Chalkogenhydridgas, das nach faulen Eiern riecht) einen bestimmten Prozentsatz erreicht.

Über die Anwendungsprobleme hinaus gibt es betriebliche Gründe für Materialfehler, z. B. den Betrieb der Pumpe an einem der beiden Enden der Kurve oder bei unzureichender positiver Nettosaughöhe. Schließlich gibt es noch die Rheologie der Schlammklassifizierung/-anwendung und die Newtonschen Eigenschaften, für deren Erklärung und Vorhersage des Materialverschleißes eine Menge Bücher und langjährige Erfahrung erforderlich wären.

Erfahrene Unternehmen, die Best Practices der Branche übernehmen, verfügen über einen formellen Materialüberprüfungsprozess, bei dem die erwarteten Bedingungen genau definiert sind und die Materialauswahl berücksichtigt und bewertet wird.

Fast alle Pumpenhersteller bieten einen Korrosionszuschlag in der Gehäusedicke an. Für Pumpen des American National Standards Institute (ANSI) beträgt der Mindeststandard drei Millimeter (0,118 Zoll).

Korrosion wird typischerweise in Mikrozoll oder Mikrometern pro Jahr oder als Gewichtsverlust in der Einheit Gramm pro Quadratmeter gemessen. Beispielsweise beträgt die Korrosionsrate von Kohlenstoffstahl in einer ländlichen Umgebung im Freien, fernab von Stadt- und Industrieverschmutzung, typischerweise etwa 20 Mikrometer pro Jahr, in der Nähe des Ozeans steigt die Rate jedoch aufgrund der Salzatmosphäre auf über 100 Mikrometer pro Jahr.

Im Folgenden finden Sie eine Liste gängiger Materialien, die im metallischen Pumpenbau verwendet werden. Ich habe mich dafür entschieden, bei den allgegenwärtigsten Optionen zu bleiben. Daher verzichten wir auf Monel, Titan und Nickel-Aluminium-Bronze. In dieser Kolumne nicht behandelt werden Pumpen, die aus nichtmetallischen Materialien/Verbundwerkstoffen hergestellt werden.

Gusseisen beginnt zu rosten, sobald es Luft (Sauerstoff) und Wasser ausgesetzt wird, wobei durch den chemischen Prozess Eisenoxid entsteht. Die schlechte Nachricht ist, dass die erzeugte Eisenoxidschicht eine lockere, flockenartige Struktur bildet und nicht die Fähigkeit besitzt, eine schützende Oxidschicht zu bilden oder zu haften, wie dies bei Edelstahl oder Aluminium der Fall ist. Dennoch kann Gusseisen in vielen allgemeinen Anwendungen eingesetzt werden und weist eine gute Leistung auf. Gusseisen ist häufig eine kostengünstige Materialauswahl, da man sich darüber im Klaren ist, dass es dabei geopfert wird.

Gehäuse und Laufräder aus Bronze waren einst die „Edelstähle“, sind aber auch heute noch in vielen Anwendungen einsetzbar, einschließlich Wasser, geringen Säurekonzentrationen (weniger als 5 %) bei Temperaturen unter 20 °C (68 °F), einigen Lösungsmitteln und den meisten Kraftstoffen und Kohlenwasserstoffe.

Kohlenstoffstahl kann oft eine Weiterentwicklung gegenüber Gusseisen sein, insbesondere wenn es um zusätzliche Festigkeit geht, aber er weist auch eine begrenzte Korrosionsbeständigkeit auf. Normalerweise stellt sich nicht die Frage, ob der Stahl korrodiert, sondern wie schnell. Die Korrosionsgeschwindigkeit hängt von vielen Faktoren ab, die wichtigsten sind jedoch die Temperatur sowie das Vorhandensein von Wasser und Sauerstoff. Es ist der Mangel an Chrom im Kohlenstoffstahl, der verhindert, dass die im Korrosionsprozess gebildete Oxidationsschicht voll funktionsfähig ist.

Eine einzigartige Ausnahme bildet „wetterfester Stahl“, bei dem die Zugabe von Kupfer, Chrom, Nickel und anderen Elementen in geringen Mengen zu einer erheblichen Verringerung der Korrosionsrate führt. Wenn Sie beispielsweise mit dem Cor-Ten-Stahl von US Steel nicht vertraut sind, sollten Sie sich ein paar Minuten Zeit nehmen und sich über das Produkt informieren. Wenn Sie im Westen von Pennsylvania leben, kennen Sie dieses Material wahrscheinlich bereits. Das US Steel-Gebäude in Pittsburgh ist mit Cor-Ten-Stahl verkleidet. Die Einheimischen haben dem Gebäude den liebevollen Spitznamen „Rusty Nail“ gegeben.

Rostfreie Stähle der austenitischen 300er-Serie (304, 316 und 317 sind am häufigsten) bieten in einer Vielzahl von Anwendungen insgesamt einen hervorragenden Korrosionsschutz. Edelstahl muss per Definition Chrom in Mengen von mehr als 10,5 % enthalten. Das Chrom reagiert mit Sauerstoff und bildet eine dünne, aber starke Schutzschicht. Die Kombination aus Chrom und Nickel in Edelstahl 304 und 316 sorgt für eine starke Beständigkeit gegen Hitze, Abrieb und Korrosion. Im Gegensatz zu Eisenoxidschichten blättert die Chromoxidschicht nicht ab und schmiegt sich gleichmäßig an den Stahl an. Die Schutzschicht kann versagen, wenn die Flüssigkeitsgeschwindigkeit zu hoch ist oder selektiv angreifende Substanzen vorhanden sind. Beispielsweise greifen Chloride in bestimmten Konzentrationen und bei manchen Anwendungen die Edelstahl-Passivierungsschicht an. Darüber hinaus kommt es zu gleichmäßiger Korrosion auf Edelstahl, wenn er starken Säuren ausgesetzt wird. Anorganische Säuren sind in der Regel aggressiver als organische Säuren. Heiße alkalische Umgebungen greifen auch rostfreien Stahl an.

Duplex- und Super-Duplex-Stähle sind Hybridstähle, die die korrosionsbeständigen Eigenschaften von Edelstahl der Serie 300 mit der Festigkeit von Stählen der Serie 400 (austenitisch mit martensitisch) kombinieren. Wenn Sie sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch Zähigkeit (z. B. Schwebstoffe) benötigen, ist ein Duplexstahl wie CD4MCu oft eine kluge Wahl.

Alloy 20, auch bekannt als Carpenter 20 und Incoloy 20, ist eine austenitische rostfreie Legierung mit hoher Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schwefelsäure und anderen aggressiven Flüssigkeiten, die für typische austenitische Sorten zu zerstörerisch sind. Alloy 20 enthält ähnlich wie Stähle der 300er-Serie Nickel, Chrom, Kupfer und Molybdän, aber ein Schlüsselfaktor ist das Vorhandensein von Niob, das interkristalline Korrosion verhindert oder mildert.

Hastelloy ist in verschiedenen Qualitäten erhältlich und bietet eine extreme Korrosionsbeständigkeit. Ausgewählte Qualitäten dieser Legierung bieten eine hervorragende Beständigkeit gegenüber HCl (Salzsäure) in den meisten Konzentrations- (Prozent-) und Temperaturbereichen. Hastelloy hält auch Schwefel-, Chlorid-, Wasserstoff-, Essig- und Phosphorsäure gut stand. Mehrere Hastelloy-Qualitäten können, wenn sie lösungsgeglüht werden, in Umgebungen mit hohem Schwefelwasserstoffgehalt effizient arbeiten. Im Auswahlprozess müssen Sie die beste Materialqualität für das zu pumpende Produkt auswählen.

Ihre Pumpen sind sowohl im Inneren als auch im Äußeren ständig Korrosion ausgesetzt, unabhängig davon, ob sie in Betrieb sind oder nicht. Schützen Sie Ihre Investition durch kluge Materialauswahl zu Beginn und profitieren Sie von jahrelangem oder sogar jahrzehntelangem zuverlässigen Service.

Ein kluger und praktischer Schritt besteht darin, gegebenenfalls Edelstahl oder höherlegierte Materialien zu verwenden. Diese Entscheidung wird eine erhebliche Kapitalrendite bringen.

Jim Elsey ist ein Maschinenbauingenieur mit mehr als 50 Jahren Erfahrung im Bereich rotierender Ausrüstung für Industrie- und Schiffsanwendungen auf der ganzen Welt. Er ist technischer Berater für Summit Pump, Inc., aktives Mitglied der American Society of Mechanical Engineers, der National Association of Corrosion Engineers und der Naval Submarine League. Elsey ist außerdem Geschäftsführerin von MaDDog Pump Consulting LLC. Er kann unter [email protected] erreicht werden.