Уфа, Республика Башкортостан, Россия
Уфа, Россия
УДК 661.343 Едкий натр. Каустическая сода
В окислительных средах никель и его сплавы склонны к пассивации, в связи с чем скорость коррозии оборудования, выполненного из этих материалов, существенно снижается. Никель и его сплавы широко применяют для изготовления оборудования, контактирующего с щелочными растворами. Однако при высоких температурах и больших скоростях потока щелочи существует вероятность контактного износа поверхности металла кристаллами гидроксида натрия вследствие низкой твёрдости никеля. Замена никелевых труб на трубы из более дешевых коррозионно-стойких сталей позволила бы решить проблему рационального конструирования оборудования и трубопроводов предприятий, связанных с производством гидроксида натрия. В работе приведены результаты сравнительных испытаний коррозионной стойкости стали 10Х23Н18 и сплава Никель 201 в водных растворах гидроксида натрия различной концентрации. На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что скорость растворения стали 10Х23Н18 значительно меньше скорости растворения сплава Никель 201. Нужно отметить, что с увеличением концентрации растворов скорость коррозии у стали постепенно снижается, что нельзя сказать о сплаве на основе никеля. Также по результатам измерения твёрдости можно выделить сталь 10Х23Н18, она имеет высокую стойкость к абразивному износу. По шкале коррозионной стойкости оба материала относятся к совершенно стойким. Так как сталь 10Х23Н18 имеет более низкую стоимость по сравнению со сплавом Никель 201, её можно рекомендовать в качестве замены для изготовления оборудования, работающего в растворах гидроксида натрия при комнатных температурах.
коррозия в щелочных растворах, гидроксид натрия, коррозионное растрескивание, коррозионно-стойкие стали, гравиметрический анализ, твёрдость
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. Кравцов В.В., Тюсенков А.С., Ризванов Р.Г., Летов А.Ф., Дворецков Р.М. Исследование причин отказов трубопроводов из никелевого сплава при воздействии высоких температур // Нефтегазовое дело. 2021. Т. 19. № 3. С. 110-120.
2. Бугай Д.Е., Латыпов О.Р., Черепашкин С.Е. Коррозионно-стойкие материалы: учебник. Уфа: Изд-во «Нефтегазовое дело», 2012. 197 с.
3. Ермаков А.Е., Филипов Д.А. Анализ причин отказов промысловых трубопроводов // Научный электронный журнал «Меридиан». 2020. № 5 (39). С. 1-4.
4. Ивановский В.Н. Теоретические основы процесса коррозии нефтепромыслового оборудования // Инженерная практика. 2010. № 6. С. 4-14.
5. Копытова Н.П. Защита от коррозии промысловых трубопроводов // Проблемы современной науки и образования. 2017. № 8 (90). С. 19-22.
6. Кузеев И.Р., Наумкин Е.А., Савичева Ю.Н., Попова С.В. Поверхность и поверхностные явления. Уфа: Нефтегазовое дело, 2008. 144 с.
7. Мальцева Г.Н. Коррозия и защита оборудования от коррозии: Учеб. пособие. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. 211 с.
8. Роствинская А.С., Роствинская В.С. Коррозия - ущерб экономике и способы борьбы с ней // Трибуна ученого. 2020. № 2. С. 57-64.
9. Рубцов А.В., Чиркова А.Г. Анализ механических свойств сварных соединений с различным уровнем накопления повреждений // В книге: 54-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. 2003. С. 243.
10. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии / Под ред. И.В. Семеновой. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. 336 с.
11. Шварц Г.Л., Кристаль М.М. Коррозия химической аппаратуры. Коррозионное растрескивание и методы его предотвращения. М.: Машгиз, 1958. 204 с.
12. Эванс Ю.Р. Коррозия, пассивность и защита металлов: Пер. с англ. / Под ред. Г.В. Акимова. Л.: Химия, 1941. 885 с.
