Korrosion / Materialauswahl

Dieses Dokument über technische Maßnahmen behandelt die Korrosion von Materialien und die Auswahl von Konstruktionsmaterialien. Auf einschlägige Regelwerke und Normen wird verwiesen.

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Korrosion ist die häufigste Ursache für Anlagen- und Ausrüstungsausfälle in der Prozessindustrie. Für die meisten Anwendungen ist es möglich, Konstruktionsmaterialien zu wählen, die völlig resistent gegen den Angriff der Prozessflüssigkeiten sind, aber die Kosten eines solchen Ansatzes sind oft unerschwinglich. In der Praxis ist es üblich, Materialien auszuwählen, die mit bekannter Geschwindigkeit langsam korrodieren, und dies bei der Angabe der Materialstärke zu berücksichtigen. Ein erheblicher Anteil der Korrosionsausfälle ist jedoch auf irgendeine Form lokaler Korrosion zurückzuführen, die in viel kürzerer Zeit zu Ausfällen führt, als dies bei gleichmäßigem Abfall zu erwarten wäre. Darüber hinaus ist es wichtig zu berücksichtigen, dass äußere atmosphärische Korrosion in vielen Fällen zu einem Verlust der Eindämmung führt und tendenziell ein größeres Problem darstellt als innere Korrosion. All diese Aspekte des Korrosionsverhaltens müssen sowohl bei der Anlagenplanung als auch während der Lebensdauer der Anlage berücksichtigt werden.

Der Betreiber sollte nachweisen, dass Verfahren vorhanden sind, um sicherzustellen, dass Korrosion und die Auswahl der richtigen Konstruktionsmaterialien in der Prozessentwurfsphase berücksichtigt werden. Darüber hinaus sollte der Betreiber nachweisen, dass er über geeignete Inspektions- und Wartungsprogramme verfügt, um Korrosion zu verhindern, die zu einem Verlust des Sicherheitsbehälters bei seinen Prozessabläufen führt. Dabei sollte Folgendes berücksichtigt werden:

Korrosion an metallischen Bauteilen entsteht, wenn reine Metalle und ihre Legierungen durch chemische Reaktionen oder elektrochemische Prozesse stabile Verbindungen mit der Prozessflüssigkeit eingehen, was zu Oberflächenverschwendung führt. Erhebliche Korrosion kann bei Tanks und Rohrleitungen zulässig sein, sofern dies vorhergesehen und in der Konstruktionsdicke berücksichtigt wird. Bei feinmaschigen Drahtsieben, Blenden und anderen Teilen, bei denen kleine Änderungen der Abmessungen von entscheidender Bedeutung sind, kann jedoch grundsätzlich keine Korrosion zugelassen werden. Die Korrosionsgeschwindigkeit kann durch Temperaturänderungen stark beeinflusst werden, und obwohl ein Konstruktionsmaterial für eine bestimmte Temperatur geeignet sein kann, ist es für den Einsatz bei einer höheren Temperatur mit derselben Prozessflüssigkeit möglicherweise nicht geeignet.

Die Korrosion nichtmetallischer Werkstoffe ist im Wesentlichen ein physikochemischer Prozess, der sich in einer Quellung, Rissbildung oder Erweichung des Konstruktionsmaterials äußert. In vielen Fällen werden sich nichtmetallische Materialien aus wirtschaftlicher und leistungstechnischer Sicht als attraktiv erweisen.

Die Verwendung verschiedener Substanzen als Additive zu Prozessströmen zur Korrosionshemmung hat weit verbreitete Anwendung gefunden und ist im Allgemeinen in Rezirkulationssystemen wirtschaftlich am attraktivsten, hat sich jedoch auch in einigen Durchlaufsystemen, wie sie beispielsweise in der Erdölindustrie vorkommen, als attraktiv erwiesen. Typische Inhibitoren zur Verhinderung der Korrosion von Eisen oder Stahl in wässrigen Lösungen sind Chromate, Phosphate und Silikate. In sauren Lösungen sind organische Sulfide und Amide wirksam.

Es gibt viele Formen lokaler Korrosion, die zu einem frühen Ausfall von Geräten führen können. Die Verhinderung von Korrosion sollte bereits in der mechanischen Konstruktionsphase berücksichtigt werden. Eine ordnungsgemäße Konstruktion zur Minimierung lokaler Korrosion sollte eine freie und vollständige Entwässerung, die Minimierung von Spalten, keine toten Stellen in den Rohrleitungen sowie eine einfache Reinigung und Inspektion umfassen. Einige der häufigsten Arten lokaler Korrosion werden in diesem Abschnitt kurz besprochen.

Lochfraß tritt häufig auf, wenn bestimmte Verunreinigungen wie Chloride in Prozessströmen und Kühlwässern vorhanden sind. Dies ist eine extreme Form lokaler Korrosion. Einmal ausgelöste Gruben beschleunigen sich normalerweise von selbst und können zu schnellen Ausfällen führen.

Bei vielen Metallen kommt es unter bestimmten Bedingungen zu Spannungsrisskorrosion. In Rohrleitungen treten die häufigsten Ausfälle aufgrund von Spannungsrisskorrosion bei austenitischen Edelstählen auf, die mit chloridhaltigen Lösungen in Kontakt kommen. Schon Spuren von Chloriden können bei Temperaturen über 60 °C zu Problemen führen.

Spaltkorrosion kann auftreten, wenn Flüssigkeit zwischen eng anliegenden Metalloberflächen oder zwischen einer Metalloberfläche und einem nichtmetallischen Material wie einer Dichtung eingeschlossen ist. In der Entwurfs- und Fertigungsphase sollte besonderes Augenmerk auf Bereiche wie die Verbindung gelegt werden, um Spaltkorrosion zu verhindern.

Lokale Erosion kann dort auftreten, wo die Ausrichtung der Ausrüstung zu einer Beschleunigung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit führt, beispielsweise in Kurven. Einige Chemikalien können in Kohlenstoffstahlrohren gehandhabt werden, da sie in den Rohren Schutzschichten aus Eisenverbindungen bilden. Eine sorgfältige Konstruktion ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Beschichtung nicht erodiert.

Durch die Bildung von Eisenoxiden kommt es zu Korrosion oder Rost an der Außenfläche von Rohrleitungen. Eine Lackierung entsprechend den Spezifikationen verlängert den Zeitraum bis zum Einsetzen der Korrosion erheblich, die Haltbarkeit der Lackierung hängt jedoch weitgehend von der Qualität der Oberflächenvorbereitung ab. Eine unsachgemäß installierte Isolierung kann ideale Bedingungen für Korrosion bieten und sollte wetterfest oder auf andere Weise vor Feuchtigkeit und verschütteten Flüssigkeiten geschützt werden, um den Kontakt des nassen Materials mit den Geräteoberflächen zu vermeiden. Unter bestimmten Umständen ist das Auftragen einer undurchlässigen Beschichtung, beispielsweise Bitumen, auf die Außenseite der Rohrleitungen von Vorteil.

Der kathodische Schutz ist eine elektrochemische Methode des Korrosionsschutzes, die weit verbreitete Anwendung beim Schutz von unterirdischen Bauwerken aus Kohlenstoffstahl wie Rohrleitungen und Tanks vor Bodenkorrosion gefunden hat. Die Metalloberfläche der Prozessausrüstung wird zur Kathode in einem elektrolytischen Kreislauf gemacht, um Metallverschwendung zu vermeiden.

Anodischer Schutz wird seltener verwendet und beruht auf einem externen Potentialkontrollsystem, um das Metall in einem passiven Zustand zu halten. Diese Form des Korrosionsschutzes hat in der schwefelsäureverarbeitenden Industrie praktische Anwendung gefunden.

Korrosionsraten werden in Zoll Oberflächenverlust pro Jahr ausgedrückt und dienen dazu, einen Korrosionszuschlag in der Konstruktionsdicke von Geräten wie Behältern und Rohrleitungen bereitzustellen. Betreiber nutzen häufig Daten, die auf historischen Erfahrungen aus dem Anlagenbetrieb basieren, um geeignete Korrosionszuschläge zu bestimmen. Alternativ sind Korrosionsdiagramme weit verbreitet, die Korrosionsraten für viele Kombinationen von Konstruktionsmaterialien und Prozessflüssigkeiten angeben. Normalerweise wird ein Wertebereich für verschiedene Prozesstemperaturen bereitgestellt. In einigen Fällen, insbesondere wenn eine Mischung von Chemikalien vorhanden ist, liegen möglicherweise keine geeigneten Daten vor und Korrosionstests können erforderlich sein, um die Eignung der Ausrüstung zu bestimmen. Betreiber sollten in der Lage sein, die Verwendung von Korrosionszugaben bei der Spezifikation und Konstruktion der Ausrüstung nachzuweisen. Die verwendeten Datenquellen sollten nachvollziehbar sein.

Während Kohlenstoff- und rostfreie Stähle häufig verwendete Konstruktionsmaterialien sind, werden zunehmend nichtmetallische und ausgekleidete oder Kunststoff-Prozessausrüstungen verwendet. Bei der Auswahl des Konstruktionsmaterials sollten die ungünstigsten Prozessbedingungen berücksichtigt werden, die unter vorhersehbaren Störbedingungen auftreten können, und auf alle Komponenten einschließlich Ventile, Rohrverbindungsstücke, Instrumente und Messgeräte angewendet werden. Sowohl Zusammensetzungs- (z. B. Chloride, Feuchtigkeit) als auch Temperaturschwankungen können einen erheblichen direkten Einfluss auf die Korrosionsgeschwindigkeit haben. Der Betreiber sollte nachweisen, dass Verfahren vorhanden sind, um sicherzustellen, dass potenzielle Abweichungen der Prozessbedingungen wie Flüssigkeitstemperatur, -druck und -zusammensetzung von kompetenten Personen identifiziert und im Zusammenhang mit der Auswahl der Konstruktionsmaterialien für Rohrleitungssysteme bewertet werden.

Eine breite Palette von Kunststoffen steht als Baumaterialien zur Verfügung und kann in Bereichen wie dem Umgang mit anorganischen Salzlösungen eingesetzt werden, in denen Metalle ungeeignet sind. Die Verwendung von Kunststoffauskleidungen ist in Geräten wie Tanks, Rohren und Fässern weit verbreitet. Ihre Verwendung ist jedoch auf mäßige Temperaturen beschränkt und sie sind im Allgemeinen für den Einsatz bei abrasiven Aufgaben ungeeignet. Zu den am häufigsten verwendeten Kunststoffen gehören PVC, PTFE und Polypropylen.

Spezialgläser können mit Stahl verklebt werden, wodurch eine undurchlässige Auskleidung entsteht. Mit Glas oder Epoxidharz ausgekleidete Geräte werden häufig bei Anwendungen mit stark korrosiven Säuren eingesetzt. Die Glasauskleidung kann leicht beschädigt werden und erfordert sorgfältige Pflege. Es ist unwahrscheinlich, dass die dünnen lackähnlichen Beschichtungen aufgrund von Mängeln einen vollständigen Schutz bieten. Die zuverlässigsten Barriereauskleidungen sind solche, die in mehreren Schichten bis zu einer Tiefe von etwa 3 mm aufgebaut werden.

Normalerweise werden Tests durchgeführt, um die Eignung eines Konstruktionsmaterials für den Umgang mit einer Prozessflüssigkeit zu bestimmen. Tests können jedoch für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. Typischerweise könnte dies dazu dienen, eine geänderte Inspektionshäufigkeit der Ausrüstung einer bestehenden Anlage zu rechtfertigen.

Es stehen verschiedene Testmethoden zur Verfügung. Üblicherweise werden Testproben, die aus kleinen Streifen oder „Coupons“ des gewünschten Materials bestehen, der Prozessflüssigkeit ausgesetzt. Zur Bestimmung der Korrosionsrate wird der Gewichtsverlust des Probekörpers über einen bestimmten Zeitraum gemessen. Die Tests können je nach Situation an der Anlage, im Labor oder im Rahmen eines Pilotplans durchgeführt werden.

Wenn Labortests mit Standardtestmethoden durchgeführt werden, ist es schwierig, die Ergebnisse zu interpretieren und in die Anlagenleistung umzusetzen. Es muss darauf geachtet werden, dass die Testflüssigkeit genau mit der in der Prozessanlage identisch ist. Unstimmigkeiten bei den Testbedingungen wie Spurenverunreinigungen, gelöste Gase, Geschwindigkeit und Turbulenzen können zu fehlerhaften Ergebnissen führen.

Prozessanlagen, die mit gefährlichen Stoffen umgehen, sollten in regelmäßigen Abständen sowohl intern als auch extern überprüft werden. Lokale Korrosion kann unvorhersehbar sein und Herstellungsfehler wie schlechte Schweißnähte können vorhanden sein. Auskleidungen können sich verformen oder beschädigt werden. Typischerweise kann die Glasauskleidung eines ummantelten Reaktors einen Thermoschock erleiden oder es kann zu einer statischen Entladung durch die Auskleidung kommen. Die Häufigkeit der Inspektion kann geändert werden, sobald eine Inspektionshistorie erstellt wurde und der Zustand eines Ausrüstungsteils vernünftig vorhergesagt werden kann. Der Betreiber sollte nachweisen, dass er über Inspektions- und Wartungsprogramme für gefährliche Prozessgeräte, einschließlich verzögerter Systeme, verfügt. Wenn Geräte ausgekleidet sind, sollten gegebenenfalls elektrische Durchgangsprüfungen auf Auskleidungsfehler durchgeführt werden. Kathodische und anodische Schutzsysteme sollten regelmäßig überprüft werden, um einen dauerhaften Schutz sicherzustellen.

Wenn die Korrosionskontrolle von der Konzentration von Verunreinigungen oder Feuchtigkeit abhängt, sollte der Bediener nachweisen, dass Verfahren und notwendige Kontrollen vorhanden sind, um einen sicheren Betriebszustand aufrechtzuerhalten. Wenn Inhibitoren hinzugefügt oder Systeme wie kathodischer Schutz verwendet werden, sollte der Betreiber ebenfalls nachweisen, dass diese Systeme überprüft und angemessen gewartet werden, um einen kontinuierlichen Schutz des Prozesses sicherzustellen.

Die Fließgeschwindigkeit von flüssigem Chlor durch Kohlenstoffstahlrohre ist auf 2 m/s begrenzt, um ein Entfernen der Eisenchloridbeschichtung auf der Rohroberfläche zu vermeiden, die vor Erosion/Korrosion des Kohlenstoffstahls schützt. Nasses Chlorgas korrodiert Baustahl. Für diesen Zweck wird PVDF (vorzugsweise), Ebonit oder gummierter Stahl verwendet. Chlorgas, das bei Temperaturen über 200 °C in Kohlenstoffstahl gehandhabt wird, kann zu Chlor-/Stahlbränden führen. Für diesen Zweck kann Zink verwendet werden, aber für niedrige Temperaturen (z. B. flüssiges Chlor) sind Spezialstähle erforderlich, um Versprödung zu vermeiden. Titan ist für den Chloreinsatz ungeeignet und sollte vermieden werden.

Die Anfälligkeit von Baumaterialien gegenüber einem Angriff durch Brom hängt stark von den Betriebsbedingungen ab, einschließlich Temperatur, Druck und Feuchtigkeitsgehalt. Daher sollten für den Bromeinsatz ausgewählte Materialien nach Möglichkeit unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen getestet werden.

Lagerbehälter bestehen üblicherweise aus mit Blei, PVDF (und bestimmten anderen Fluorpolymeren) oder Glas ausgekleidetem Stahl. Wenn das Brom „trocken“ ist, können Nickel oder Legierungen wie Monel und Hastelloy verwendet werden, obwohl alle in Gegenwart von feuchtem Brom anfällig für schwere Angriffe sind. Titan ist für den Bromeinsatz (nass oder trocken) ungeeignet und sollte vermieden werden.

Blei wird zum Auskleiden von Lagerbehältern aus Stahl und seltener zum Auskleiden von Rohren verwendet, aber bei hohen Feuchtigkeitsgehalten und/oder erhöhten Temperaturen ist die Schutzschicht aus Bleibromid, die sich auf der Oberfläche des Metalls bildet, anfällig für Zersetzung. Nichtmetallische Auskleidungen, einschließlich Glas und bestimmte Fluorkohlenstoffpolymere, einschließlich PVDF und PTFE, haben Blei in den meisten Anwendungen ersetzt. Schmelzverarbeitete Polymere wie PVDF, PFA und ETFE werden aufgrund ihrer inhärenten Porosität gegenüber PTFE bevorzugt.

Nur wenige Metalle sind für den Kontakt mit „feuchtem“ Brom (Feuchtigkeitsgehalt über 30 mg/kg) geeignet. Niob, Tantal und Legierungen dieser beiden Metalle sind geeignet, aber hohe Kosten schränken ihren Einsatz ein (z. B. Berstscheiben und Instrumentenkomponenten).

Der Korrosionsschutz von Weichstahlbehältern erfolgt durch die Bildung einer Eisensulfatbeschichtung. Jeder Zustand, der zu übermäßigen Turbulenzen führt, kann zur Entfernung der Beschichtung und Korrosion führen. Aufgrund der Grenzflächenverdünnung kann es auch an Luft-Säure-Grenzflächen zu beschleunigter Korrosion kommen. Darüber hinaus variiert der Temperatureinfluss auf die Korrosionsgeschwindigkeit je nach Säurestärke und daher ist es notwendig, maximale Betriebstemperaturen zu definieren. Chemisches Blei wird manchmal verwendet, wenn Stahl ungeeignet ist und in bestimmten Anwendungen PVC oder Fluorkohlenstoffkunststoffe verwendet werden können. Speziell entwickelte rostfreie Stähle haben herkömmliche Gusseisenanwendungen für Hochtemperaturanwendungen ersetzt.

Diese Säure ist gegenüber den meisten gängigen Metallen und Legierungen sehr korrosiv. Dies wird noch verstärkt, wenn Belüftung oder Kontamination durch Oxidationsmittel vorhanden sind. Kupfer ist besonders anfällig für dieses Problem. Viele Ausfälle sind auch auf das Vorhandensein geringfügiger Verunreinigungen wie Eisenchlorid zurückzuführen. Kunststoffe und gummierter Stahl werden häufig für Rohrleitungen und kleine Behälter verwendet.

Die Werkstoffe für Ammoniak sind abhängig von der Betriebstemperatur. Während Weichstahl bei Umgebungstemperatur verwendet werden kann, sind bei niedrigen Temperaturen Spezialstähle erforderlich, um Versprödung zu vermeiden. Verunreinigungen in flüssigem Ammoniak wie Luft oder Kohlendioxid können Spannungsrisskorrosion bei Weichstahl verursachen. Ammoniak wirkt stark korrosiv gegenüber Kupfer und Zink.

Die Massenlagerung von Säure mit 70 % oder mehr kann in Weichstahl- oder PVDF-Tanks erfolgen. Für den Bau wichtiger Komponenten werden häufig Polyethylen, Polypropylen und PVDF verwendet. PTFE wird häufig für kleinere Bauteile wie Dichtungen verwendet. Glas oder GFK sollten niemals verwendet werden.

Für den Einsatz mit flüssigem Sauerstoff geeignete Materialien sind Nickelstahl, austenitische Edelstähle sowie Kupfer- oder Aluminiumlegierungen. Kohlenstoffstähle und Kunststoffe sind bei niedrigen Temperaturen spröde und sollten nicht für den Betrieb mit flüssigem Sauerstoff verwendet werden. PTFE ist das am häufigsten verwendete Dichtmittel.

Bei Temperaturen unter 120 °C kann Kohlenstoffstahl bis zu hohen Drücken eingesetzt werden. Bei erhöhten Temperaturen und erheblichem Druck dringt Wasserstoff in Kohlenstoffstahl ein und reagiert mit dem Kohlenstoff zu Methan. Dies führt zu einem Verlust der Duktilität und zu Rissen oder Blasenbildung im Stahl. Für Hochtemperaturanwendungen sind Stahllegierungen mit Molybdän und Stahl zufriedenstellend.

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