Ufa, Ufa, Russian Federation
Ufa, Russian Federation
UDK 661.343 Едкий натр. Каустическая сода
In oxidizing environments, nickel and its alloys are prone to immunization and therefore the corrosion rate of equipment made of these materials is significantly reduced. Nickel and its alloys are widely used for the manufacture of equipment in contact with alkaline solutions. However, at high temperatures and high alkali flow rates, there is a possibility of contact wear of the metal surface of sodium hydroxide crystals due to the low hardness of nickel. Replacing nickel pipes with ones made of cheaper corrosion-resistant steels would solve the problem of rational design of equipment and pipelines of enterprises associated with the production of sodium hydroxide. The paper presents the results of comparative tests of corrosion resistance of 10X23H18 steel and Nickel 201 alloy in aqueous alkali caustic soda solutions of various concentrations. On a study basis, it can be concluded that the dissolution rate of 10X23H18 steel is significantly less than the dissolution rate of Nickel 201 alloy. It should be noted that with an increase in the concentration of solutions, the corrosion rate of steel gradually decreases, which is not the case for nickel-based alloy. Besides, judging from the results of hardness measurement, 10X23H18 steel can be distinguished due to its high resistance to abrasive wear. According to the scale of corrosion resistance, both materials are absolutely resistant. Since 10X23H18 steel has a lower cost compared to Nickel 201 alloy, it can be recommended substitutionally for the manufacture of the equipment operating in sodium hydroxide solutions at ambient conditions.
corrosion in alkaline solutions, sodium hydroxide (caustic soda), corrosion cracking, corrosion-resistant steels, gravimetric analysis, hardness
Введение
Сплав Никель 201 имеет высокую степень чистоты благодаря минимальному содержанию примесей (таких как сера и кислород). Его особенностью является повышенное содержание никеля (99,0 %) и пониженное содержание углерода (менее 0,02 %), обеспечивающее высокую стойкость сплава в окислительных средах. Механические свойства данного сплава не подвержены негативному влиянию экстремальных температур. Сплав Никель 201 стоек в щелочных растворах, галогенах, минеральных кислотах.
Следует отметить, что данный сплав обладает высокой стойкостью в каустических растворах, включая солевые расплавы. При этом необходимо учитывать минимальное содержание хлора, поскольку его присутствие может привести к интенсивной коррозии. Однако в окислительных солевых растворах сплав нестоек.
При повышенных температурах и действии растягивающих напряжений в концентрированных растворах щелочей наблюдается коррозионное растрескивание сплава
Никель 201 из-за щелочной хрупкости [1 – 3].
Кроме того, при коррозионной эрозии происходит механическое воздействие быстродвижущихся частиц (песок, газовые пузырьки и др.) на поверхность металла [4 – 7]. Интенсивность эрозионного разрушения зависит от свойств металла и пленок на его поверхности, коррозионной среды, действующих нагрузок и ряда других факторов.
Непрерывное удаление оксидных пленок с поверхности материала при движении коррозионной среды может значительно ускорить коррозионный процесс [8 – 12].
На предприятии АО «Башкирская содовая компания» в качестве материала трубопроводов используется дорогостоящий сплав Никель 201. Несмотря на высокую коррозионную стойкость, он имеет склонность к абразивному износу вследствие низкой твёрдости. В связи с этим целью данного исследования являлась обоснованная замена сплава Никель 201 более дешевым материалом, который в условиях производства каустической соды проявлял бы высокую коррозионную стойкость и износостойкость.
Исследования проводили с помощью гравиметрического анализа (ГОСТ 9.908-85), который основывается на определении скорости коррозии металлических образцов по потере массы за время пребывания в коррозионной среде заданного состава.
В качестве рабочей среды использовали растворы гидроксида натрия различной концентрации: 50, 60, 70 и 80 %. Твердость материалов по Роквеллу определяли на ультразвуковом твердомере марки МЕТ-УДА.
После подготовки образцов из сплава
Никель 201 и стали 10Х23Н18 в соответствии с ГОСТ 9.908-85 их помещали в колбы с подготовленными растворами NaOH различных концентраций. Продолжительность испытаний составляла два месяца. Далее образцы извлекали из колб и промывали водой, выдерживали в сушильном шкафу в течение получаса при температуре 60 ± 2 ºС и снова взвешивались на аналитических весах.
Результаты испытаний образцов из сплава Никель 201 представлены в табл. 1.
График зависимости глубинного показателя скорости коррозии от концентрации NaOH для сплава Никель 201 представлен на рис. 1. Из графика следует, что данная зависимость имеет нелинейный характер с явно выраженным экстремумом при концентрации едкого натра около 65 %. При дальнейшем росте концентрации гидроксида натрия скорость коррозии сплава начинает снижаться, что связано с образованием защитной пассивной плёнки на поверхности металла.
Результаты испытаний образцов из стали 10Х23Н18 в растворах NaOH различных концентраций представлены в табл. 2.
График зависимости глубинного показателя скорости коррозии от концентрации гидроксида натрия для стали 10Х23Н18 представлен на рис. 2. Из рисунка следует, что данная зависимость не имеет экстремума: с ростом концентрации едкого натра скорость коррозии стали 10Х23Н18 монотонно нелинейно уменьшается, что также связано с образованием защитных пассивных пленок.
Из совместного анализа зависимостей на рис. 1 и рис. 2 можно заключить, что скорости коррозии образцов из стали 10Х23Н18 значительно ниже, чем у образцов из сплава Никель 201 во всем интервале концентраций раствора NaOH. Кроме того, пассивация стали начинается сразу и продолжается постоянно до достижения минимальной скорости коррозии при 80 % растворе NaOH.
Гравиметрический анализ показал, что оба исследованных материала имеют достаточно высокую коррозионную стойкость в средах гидроксида натрия различной концентрации, однако наиболее стойкой при всех концентрациях NaOH оказалась сталь 10Х23Н18.
Результаты измерения твердости образцов представлены в табл. 3
Известно, что более твердые материалы лучше сопротивляются пластической деформации и износу при абразивном воздействии. По результатам измерения твердости образцов сталь 10Х23Н18 обладает более высокой износостойкостью по сравнению со сплавом Никель 201.
Выводы
Установлено, что скорость коррозии сплава Никель 201 с увеличением концентрации гидроксида натрия до 60…70 % возрастает, а при более высоких концентрациях снижается вследствие образования на поверхности металла защитной пленки. Скорость растворения стали 10Х23Н18 с увеличением концентрации гидроксида натрия монотонно снижается. Показано также, что сталь 10Х23Н18 имеет и более высокую стойкость к абразивному износу.
Оба материала относятся к совершенно стойким в рассматриваемых растворах (один балл по шкале коррозионной стойкости).
С учетом того, что сталь 10Х23Н18 имеет значительно более низкую стоимость по сравнению со сплавом Никель 201, ее можно рекомендовать в качестве замены сплава
Никель 201 для изготовления трубопроводов и технологического оборудования, работающего в растворах гидроксида натрия при комнатных температурах.
1. Kravtsov V.V., Tyusenkov A.S., Rizvanov R.G., Letov A.F., Dvoretskov R.M. Research into the causes of nickel alloy pipelines failure under influence of high temperatures stress// Oil and Gas Engineering, 2021, vol. 19, No. 3, pp. 110-120.
2. Bugai D.E., Latypov O.R., Cherepashkin S.E. Corrosion-resistant materials: textbook. Ufa: Publishing house «Oil and Gas Engineering», 2012, 197 p.
3. Ermakov A.E., Filipov D.A. Analysis of causes of failures of field pipelines // Scientific electronic journal «Meridian», 2020, No. 5 (39), pp. 1-4.
4. Ivanovskiy V.N. Theoretical foundations of the corrosion process of oilfield equipment // Engineering practice, 2010, No. 6, pp. 4-14.
5. Kopytova N.P. Corrosion protection of field pipelines // Problems of modern science and education, 2017, No. 8 (90), pp. 19-22.
6. Kuzeev I.R., Naumkin E.A., Savicheva Yu.N., Popova S.V. Surface and surface phenomena. Ufa: Oil and Gas Engineering, 2008, 144 p.
7. Maltseva G.N. Corrosion and protection of equipment from corrosion: Textbook. manual. Penza: Publishing House of the Penza State University, 2000, 211 p.
8. Rostvinskaya A.S., Rostvinskaya V.S. Corrosion is a damage to the economy and ways to prevent it // Tribune of the scientist, 2020, No. 2, pp. 57-64.
9. Rubtsov A.V., Chirkova A.G. Analysis of mechanical properties of welded joints with different levels of accumulated damage. Collection of scientific articles. // In the book: proceedings of the 54th Scientific and Technical Conference of students, postgraduates and young scientists, 2003, p. 243.
10. Semenova I.V., Florianovich G.M., Khoroshilov A.V. Corrosion and corrosion protection / Edited by I.V. Semenova. Moscow: FIZMATLIT, 2002, 336 p.
11. Schwartz G.L., Kristal M.M. Corrosion of chemical equipment. Corrosion cracking and methods of its prevention. Moscow: Mashgiz, 1958, 204 p.
12. Evans Yu.R. Metallic Corrosion, Passivity and Protection: translated from English / Edited by G.V. Akimov. Leningrad: Khimiya, 1941, 885 p.
