Większość branż zależy od wydajnego i niezawodnego działania wielkoskalowych systemów transportu materiałów, które produkują, transportują i przechowują różne substancje chemiczne. Systemy te wymagają ogromnych nakładów, kapitału i regularnej konserwacji, aby funkcjonować w sposób zadowalający.
W rezultacie projektanci inżynieryjni robią wszystko, co w ich mocy, aby zwiększyć żywotność, jednocześnie zmniejszając potrzebę konserwacji w miarę możliwości dla takich systemów.
W tym artykule przyjrzymy się procesowi pasywacji. Choć często pomijana, pasywacja odgrywa kluczową rolę w wielu dużych (i małych) systemach, zapewniając ich trwałość i wydajność, zwłaszcza jeśli chodzi o stal nierdzewną.
Czym jest pasywacja?
Pasywacja to proces poprodukcyjny, który sprawia, że materiał jest pasywny lub obojętny na reakcje chemiczne, które mogą zmienić jego skład i ostatecznie doprowadzić do awarii. W przemyśle proces pasywacji jest zwykle przeprowadzany w celu zwiększenia odporności powierzchni metalowej na korozję lub utlenianie poprzez utworzenie na niej warstwy ochronnej.
Ta cienka warstwa, znana również jako warstwa pasywacyjna lub film pasywacyjny, pokrywa powierzchnię materiału, ale nie wprowadza żadnych zmian w metalu bazowym. Warstwa pasywacyjna działa jako bariera zmniejszająca reaktywność chemiczną materiału, czyniąc go bardziej odpornym na korozję i zanieczyszczenia. Chociaż pasywację powierzchniową można przeprowadzić dla wielu materiałów żelaznych, jest ona najczęściej kojarzona ze stalą nierdzewną.
Stal nierdzewna ma właściwości samopasywujące, które pozwalają jej tworzyć warstwę tlenku chromu. Warstwa ta nadaje właściwości antykorozyjne. Jednakże, gdy powierzchnia stali jest poddawana jakimkolwiek procesom produkcyjnym, metal traci ochronną warstwę pasywną, a wraz z nią właściwości odporności na korozję. Utrata tej warstwy odsłania wolne żelazo od spodu i może zainicjować korozję. Pozostawiona bez kontroli może doprowadzić do ostatecznej awarii.
Dzięki procesowi pasywacji możemy przywrócić ochronną warstwę tlenku chromu i zmniejszyć stężenie wolnego żelaza na powierzchni. Stosunek chromu do żelaza musi być większy niż 1. Stosunek 1,5:1 zapewnia optymalną ochronę przed atakami korozji.
Pasywacja stali nierdzewnejPasywacja a wytrawianie
Wytrawianie i pasywacja są często błędnie rozumiane jako to samo. Są to jednak odrębne procesy o różnej naturze i zasadach działania.
Procesy produkcyjne, takie jak spawanie, często prowadzą do powstania strefy wpływu ciepła. Ta strefa wpływu ciepła wprowadza zanieczyszczenia, a także niszczy warstwę o wysokiej zawartości chromu w części. Zmniejsza to zawartość chromu na powierzchni.
Wytrawianie służy do usuwania zgorzeliny tlenkowej z powierzchni materiału w celu zmniejszenia strefy wpływu ciepła i warstwy o niskiej zawartości chromu. Część jest zanurzana w zbiorniku z kwasem na określony czas. Proces ten usuwa również wszelkie osadzone cząstki żelaza i zanieczyszczoną stal węglową. Jednakże, jeśli zanieczyszczenie jest wysokie, część będzie wymagała czyszczenia roztworem alkalicznym przed kąpielą trawiącą.
Z drugiej strony, pasywacja jest bardziej złożonym procesem i w wielu przypadkach składa się z trawienia jako pierwszego etapu. Proces pasywacji wykorzystuje inny zestaw roztworów kwasowych, aby nie tylko oczyścić powierzchnię, ale także przyspieszyć rozwój pasywnej warstwy tlenku.
Tak więc trawienie jest stosowane do czyszczenia części metalowych i często jest procesem obróbki wstępnej, podczas gdy pasywacja nie tylko czyści powierzchnię, ale tworzy chemicznie niereaktywną warstwę. Podczas gdy wytrawione części uzyskują matowy, szary wygląd, pasywowane produkty nie ulegają żadnej zmianie w wyglądzie.
Kiedy stosuje się pasywację?
Pasywacja jest dość szybkim i zautomatyzowanym procesem obróbki powierzchni. W rezultacie ma wiele zastosowań. Niektóre z sytuacji, w których pasywacja okazuje się wykonalnym i skutecznym rozwiązaniem, są następujące:
- Przed oddaniem do użytku części ze stali nierdzewnej
- Po obróbce mechanicznej
- Po spawaniu
- Gdy nowe komponenty są łączone z istniejącymi komponentami
- Pasywację należy przeprowadzić po zanieczyszczeniu
- Jako forma konserwacji zapobiegawczej
Przed uruchomieniem części ze stali nierdzewnej
Pasywacja stali nierdzewnej i innych metali jest zazwyczaj przeprowadzana jako ostatni proces przed oddaniem części do użytku. Pozwala to materiałowi wejść do środowiska serwisowego z nienaruszoną warstwą pasywną.
Wiele operacji może uszkodzić warstwę pasywną i narazić materiał na korozję. Jest to powód, dla którego pasywacja jest przeprowadzana po zakończeniu wszystkich procesów produkcyjnych, a część jest gotowa do eksploatacji.
Po obróbce mechanicznej
Operacje mechaniczne mogą usunąć warstwę pasywną z powierzchni. Cięcie, szlifowanie i polerowanie mechaniczne to tylko niektóre przykłady.
Podczas gdy warstwa pasywna jest zdolna do samoodbudowy, różnice w grubości warstwy oznaczają, że może to spowodować inicjację korozji w części. Dlatego też eksperci zalecają pasywację części, które zostały poddane obróbce mechanicznej, zarówno podczas produkcji, jak i serwisowania.
Jeśli to możliwe, narzędzia używane do obróbki powinny być dostosowane do stali nierdzewnej, aby zapobiec zanieczyszczeniu powierzchni.
Osadzone żelazo jako zanieczyszczenie stanowi większe ryzyko niż inne. Powierzchnia ze stali nierdzewnej z osadzonymi cząstkami żelaza przejdzie test ferroksylowy, ale gdy tylko zostanie oddana do użytku lub wysterylizowana parą, pojawi się na niej duża ilość rdzy. Jedynymi dwoma rozwiązaniami w takim przypadku byłoby przeprowadzenie wielu procedur pasywacji lub szlifowanie i odnawianie dotkniętego obszaru.
Po spawaniu
Omówiliśmy już we wcześniejszej sekcji, w jaki sposób spawanie może zniszczyć bogatą w chrom warstwę odpowiedzialną za ochronę, a także osadzić część z różnymi zanieczyszczeniami. Dlatego też zaleca się pasywację spawanych części ze stali nierdzewnej. Odpowiedni proces pasywacji przywróci warstwę pasywną i uczyni ją odporną na utlenianie.
Gdy nowe komponenty są łączone z istniejącymi komponentami
Łączenie nowych rurek ze starymi rurkami może być również optymalnym momentem do pasywacji całego systemu. Gdy nowa rura jest łączona ze starą rurą, zazwyczaj poddawana jest pasywacji przed uruchomieniem. Jednak do połączenia dwóch rur można użyć spawania, które może zainicjować korozję, jak omówiono w powyższej sekcji.
Przedserwisowa pasywacja nowych rur może również nie wystarczyć do ochrony systemu rur, jeśli wewnętrzne powierzchnie istniejącego systemu są już pokryte korozją. chropowatość. Dlatego w takich sytuacjach ważne jest, aby dokładnie rozważyć dostępne opcje i wybrać najbardziej odpowiednie rozwiązanie. Na przykład, możliwe jest pasywowanie całego systemu lub pasywowanie wacikiem starego systemu po spawaniu, a nawet stosowanie połączeń okuwanych.
Wybór derywatyzacji i pasywacji całego systemu jest najbezpieczniejszym wyborem, ponieważ wykonawca pasywacji jest na miejscu z chemikaliami, a te chemikalia i tak zostaną wprowadzone do części systemu, więc cały system może być również pasywowany.
Po zanieczyszczeniu
Eksperci zalecają pasywację, gdy system jest narażony na zanieczyszczenia, takie jak chlorki i żelazo. Zanieczyszczenie żelazem omówiliśmy powyżej. Zanieczyszczenie chlorem może być równie szkodliwe, ponieważ ma on zdolność przenikania przez warstwę tlenku chromu i atakowania metalu podstawowego.
Wiadomo, że narażenie na chlor niszczy całe systemy, ponieważ inicjuje szorstkowanie i spowoduje uszkodzenie metalu, jeśli pozostanie niekontrolowane. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku systemów z austenitycznej stali nierdzewnej.
Inną wadą chloru jest to, że rozpuszcza on warstwę tlenku chromu, tworząc tlenek żelaza i kwas podchlorawy. Kwas podchlorawy uwalnia wolne żelazo i chlorki, które pogarszają sytuację, prowadząc do niekontrolowanej korozji w systemie.
Jako forma konserwacji zapobiegawczej
Pasywacja może być również przeprowadzana w regularnych odstępach czasu jako konserwacja zapobiegawcza. Ten rodzaj konserwacji zapobiega awariom poprzez rozwiązywanie problemów, gdy są one jeszcze na wczesnym etapie. Jednak wyzwania związane z tym procesem, takie jak koszt pasywacji, przestoje systemu i utrata wydajności pracy, mogą uniemożliwić jego skuteczne zaplanowanie.
W takich przypadkach linie produkcyjne mogą również przejść na plan monitorowania stanu, który sprawdza oznaki, że system wymaga pasywacji. Należy ocenić ilość, lokalizację i jednorodność rouge, aby określić, kiedy należy zaplanować pasywację, aby zminimalizować przyszłe straty. Systemy, które są bardzo podatne na szorstkowanie, są pasywowane raz na rok lub raz na dwa lata.
Proces pasywacji
Proces pasywacji składa się zasadniczo z czterech głównych etapów. Etapy te są następujące:
- Czyszczenie
- Zastosowanie chemikaliów do pasywacji
- Płukanie
- Utlenianie w celu utworzenia warstwy pasywnej
Czyszczenie
Aby pasywacja miała maksymalny efekt, powierzchnia musi być tak czysta, jak to tylko możliwe. Zanieczyszczenie powierzchni może prowadzić do powstawania potencjału elektrycznego na powierzchni, co spowoduje nierównomierną pasywację.
Pierwszym krokiem jest usunięcie wszystkich zanieczyszczeń, takich jak brud, kurz, rdza, tłuszcz i olej powierzchniowy, aż do granic ziaren powierzchni. Po ich usunięciu otrzymujemy czystą warstwę stali nierdzewnej, która pasywuje się znacznie skuteczniej.
Zastosowanie środków chemicznych do pasywacji
Pasywacja jest przeprowadzana w kąpieli kwasu azotowego lub cytrynowego. Proces ten usuwa wolne żelazo z powierzchni.
Kwas azotowy jest bardziej przystępny cenowo, ale ze względu na troskę o środowisko, przemysł zmierza w kierunku kwasu cytrynowego. Kwas cytrynowy jest również bezpieczniejszy niż kwas azotowy. Podczas stosowania kąpieli w kwasie azotowym dodajemy dwuchromian sodu, aby pobudzić tworzenie się tlenu i zbudować warstwę pasywacyjną. Ten związek jest toksycznym związkiem sześciowartościowego chromu, który wymaga bardzo ostrożnego obchodzenia się.
Jednak kwas azotowy lepiej radzi sobie z atakami błyskawicznymi niż pasywacja kwasem cytrynowym. Warstwa pasywna tworzy się również szybciej i jest bardziej skuteczna.
Alternatywą jest użycie maszyn ultradźwiękowych z kąpielami w kwasie cytrynowym. Ta kombinacja powoduje powstawanie tlenu na powierzchni, a tym samym szybkie tworzenie ochronnej warstwy tlenku.
Części ze stali nierdzewnej są pasywowane poprzez trzymanie ich w kąpieli przez ok. 20 do 30 minut w temperaturze pomiędzy temperaturą pokojową a 65 °C. (149 °F).
Płukanie
Po zanurzeniu w kąpieli chemicznej, części są płukane w odpowiednim rozpuszczalniku w celu usunięcia wszelkich śladów roztworu kwasu. Ten krok usuwa również wszelkie pozostałości wolnych związków żelaza.
Utlenianie w celu utworzenia warstwy pasywnej
Części metalowe mogą być narażone na działanie pewnych substancji chemicznych, które powodują tworzenie się warstwy tlenku metalu po płukaniu. Należą do nich substancje chemiczne, takie jak żelazocyjanek potasu, siarczan miedzi i mgła solna. Utworzona w ten sposób zewnętrzna warstwa ochronna jest bardziej wytrzymała i niezawodna.
Wnioski
Korozja jest jednym z najczęstszych problemów związanych z metalami w eksploatacji, zwłaszcza jeśli wchodzą one w interakcje z wodą lub płynami procesowymi na bazie wody. Korozja w tych systemach może nie tylko uszkodzić system, ale także zanieczyścić płyn procesowy (szorstkowanie). Dzięki pasywacji możemy zapewnić ich ochronę i optymalne funkcjonowanie poprzez poprawę ich odporności na korozję.
Pasywacja może być jednak procesem trudnym do opanowania. Istnieje wiele czynników, które wpływają na tę obróbkę chemiczną. Dlatego też, aby uzyskać spójne i niezawodne wykończenie, musimy zawsze powierzać je specjalistom od wykańczania metali i kompetentnym producentom.