De hundratals olika materialkvaliteter, som idag används i pumpar, kan klassificeras i följande huvudgrupper:

Transkript

1 4 Material och materialval 4.1 INLEDNING Materialförluster genom korrosion i vårt samhälle uppgår totalt till mycket stora belopp; populärt kan detta uttryckas som att produktionen från vart 5:e stålverk direkt övergår i rost. Materialproblemen inom pumpområdet har i allmänhet en helt annan prägel än enbart vanlig rostning genom den komplicerade inverkan, som sker från den pumpade vätskan. Eftersom pumpar nästan alltid är hjälpapparater i någon process, ger den ständiga processutvecklingen löpande upphov till nya problemställningar. Exempel på detta är: Vid katalytisk framställning av svavelsyra har produktionen kunnat höjas genom att ta bort olika kylgrupper. Temperaturen höjs därigenom c:a 50 C, vilket ungefär trefaldigar pumparnas materialproblem. Galvaniseringsverkstäder sätter till fluorsyra till kromsyrabaden för att förbättra glansen hos kromskikten. Material och materialval för pumpar bestäms av många samverkande faktorer-figur 4.1. Slutresultatet brukar bli en utpräglad kompromiss mellan dessa, där dessvärre några faktorer oftast har varit mer eller mindre okända. Figur 4.1 Inverkande faktorer på material till vätskepumpar. 106

2 4.2 MATERIALÖVERSIKT Allmänt De hundratals olika materialkvaliteter, som idag används i pumpar, kan klassificeras i följande huvudgrupper: Material med järn som huvudbeståndsdel Material med koppar eller aluminium som huvudbeståndsdel Övriga metalliska material Icke-metalliska material Materialens hållfasthet bestäms på vanligt sätt av brottgräns σb och brottförlängning δ5. Ibland är även andra fysikaliska data som slagseghet och hårdhet av intresse. En pumps tryckklass PN-se vidare avsnitt 4.3- bestäms i stort av materialets hållfasthet. För plaster vid rumstemperatur liksom för metaller vid högre temperaturer måste materialens kryphållfasthet beaktas. Kryphållfastheten beskriver tidens inverkan på brotthållfastheten. Gråjärn Gråjärn tillverkas i olika kvaliteter-sis 0100 till SIS där de två sista siffrorna anger dragbrottgränsen σb i 0,1 N/m m2. Se vidare tabell 4.1. Dragbrottgränsen är beroende framförallt av kolhalten och minskar med ökad kolhalt. Kolet förekommer som grafitfjäll insprängt i en grundmassa av järn. Fjällformen medför att värden på slagseghet och brottförlängning blir mycket låga. Gråjärn bör därför undvikas i sådana pumpar som utsätts för yttre och/eller inre slag, vattenslag etc. Detta är speciellt viktigt om det pumpade mediet är hetvatten vid mättningstryck. Vid t ex C avkokar 5 % av mängden i hela hetvattenssystemet till ånga, innan värmebalans uppnås. Angvolymen ärvid denna mättningstemperatur ca 600 gånger större än motsvarande vattenvolym, varför personer kan få omfattande brännskador om en spricka skulle uppträda i pumpen. I Sverige är C angiven som övre gräns för tryckpåkända system utförda av gråjärn. För högre temperaturer måste segjärn eller stålgjutgods användas. Gråjärnet är det mest använda materialet i normala centrifugalpumpar. Det har från korrosionssynpunkt ett mycket brett verksamhetsfält. I vatten eller vattenlösningar med ph-värden mellan c:a 6 och 10 kan gråjärn användas utan större risk för korrosionsskador. I surare medier är gråjärn också användbart, men det är i hög grad beroende av vad som har åstadkommit det lägre ph-värdet. Temperaturberoendet är också mera accentuerat i detta område. Genom sin höga kolhalt erhåller gråjärnet snabbt ett skyddande grafitskikt, vilket innebär att ett ur hållfasthetssynpunkt sämre gråjärn med högre kolhalt har ett bättre korrisionsskydd. Av samma orsak är gråjärnet överlägset normalt stål ur korrosionssynpunkt. Segjärn Segjärn är ett relativt nytt material. Analysmässigt är segjärn mycket likt ett vanligt gråjärn med avseende på kol- och kiselhalter. I motsats till gråjärnets grafit är segjärnets ej fjälliknande, utan förekommer som små runda kulor i en perlitisk grundmassa. Detta åstadkommes genom att sätta till små mängder magnesium i smältan före gjutningen. Genom den sfäriska grafitformen får segjärn avsevärt högre hållfasthet än gråjärn. Dessutom är förlängningen större och slagsegheten bättre. Ytterligare förbättrad förlängning och slagseghet erhålls genom värmebehandling, varvid grundmassan förändras mot ferritisk struktur. Segjärn är mycket användbart för tryckkärl utsatta för inre övertryck, där man tidigare helt varit hänvisad till stålgjutgods. Segjärn har dessutom god svetsbarhet. Den övre användningsgränsen är ungefär PN 25 eller vätsketemperatur C. Segjärnets korrosionsbeständighet är ganska likvärdig gråjärnets. Detta gäller även för kemiska vätskor. 107

3 Olegerat stålgjutgods Olegerat stålgjutgods har i stort sett samma hållfasthet som handelsstål. Analysmässigt skiljer sig stålgjutgodset endast genom vissa tillsatser för att förbättra gjutbarheten. Låglegerat stålgjutgods har små tillsatser av nickel och krom för att förbättra varmhållfastheten. Stålgjutgods används framför allt för högtrycks- och hetvätskepumpar, men trängs alltmer tillbaka av segjärn och legerade stålkvaliteter. Från korrosionssynpunkt är stålgjutgods sämre än gråjärn och segjärn, företrädesvis beroende på att kolhalten ej överstiger 1,5 %, vilket ej är tillräckligt för att ge något skyddande grafitskikt. Legerade gråjärn och segjärn Genom tillsatser av små mängder legeringsämnen kan grå- och segjärns egenskaper i viss utsträckning förändras med avseende på hållfasthet, bearbetbarhet, korrosions- och nötningsbeständighet ej överstiger 1,5%, vilket ej är tillräckligt för att ge något skyddande grafitskikt. Koppar endast för gråjärn Genom koppartillsats får gråjärnets grundmassa en jämnare struktur av perlit med mindre ferrit samt bättre form på och fördelning av grafiten. Draghållfastheten ökar mellan 10 och 20 % genom tillsats av 1-2% med motsvarande hårdhetsökning. Korrosionsbeständigheten mot t ex svavelsyra av hög koncentration och svavelsura lösningar förbättras avsevärt. Nickel och krom Ni resp Cr Genom små tillsatser av nickel och/eller krom blir strukturen jämnare och mera finfördelad, vilket ger samma fördelar som vid tillsats av koppar. Härigenom erhålls även ett tätare gjutgods. Vid tillsats av ca 20 % Ni- Ni-Resist- blir grundmassan austenitisk-omagnetisk. Denna kvalitet har visat sig mycket användbar för havsvatten och andra kloridhaltiga vätskor även vid högre temperaturer. Hållfastheten är lika grå- resp segjärnets. Vid legeringshalter av ca 6 % Ni och 9 % Cr- Ni-Hard-erhålls en martensitisk grundmassa med kromkarbider, varigenom hårdheten blir mellan 500 och 600 Brinell. Hårdheten kan ökas ytterligare genom värmebehandling eller ökning av kromhalten upp till 30 %. På detta sätt fås ett material med mycket god beständighet mot nötning och erosion. På grund av den avsevärda hårdheten kan materialet endast bearbetas medelst slipning, varför speciella konstruktioner erfordras för pumpar. Kisel Si Kisellegerat gjutjärn - kiseljärn - är mycket syrabeständigt om halten Si överstiger 13 %. Detta material är resistent mot svavelsyra vid alla koncentrationer samt mot ett flertal andra oorganiska och organiska syror dock ej mot fluorvätesyra,varm koncentrerad saltsyra, svavelsyrlighet, sulfi- och organiska syror dock ej mot fluorvätesyra, varm koncentrerad saltsyra, svavelsyrlighet, sulfiter och varm alkali. Genom ytterligare tillsats av 3 % molybden blir materialet beständigt även mot saltsyra och klorhaltiga lösningar. Kiseljärn är mycket svårgjutet och ger dålig trycktäthet. Det bör av den anledningen ej användas i pumpar med inre övertryck större än 0,4 MPa. Då materialet är hårt och mycket sprött måste som regel speciella konstruktionsprinciper tillämpas för pumpart ex "klä in" kiseljärnet i ett omgivande stålhölje, vilket får ta upp tryckpåkänningarna. 108

4 I tabell 4.1 ges en sammanställning över pumpmaterial med järn som huvudbeståndsdel med angivande av SISbeteckning, σb, δ5, tryckklass, max temp och typiska legeringsämnen. Tabell 4.1 Några pumpmaterial med järn som huvudbeståndsel. För temperaturer över c:a 150 C tillåts ibland lägre tryck än PN. Rostfria och syrefasta stål Rent allmänt gäller för stål att halten legeringsämnen ej överstiger 50 % av sammansättningen. Rostfria stål kännetecknas av att de har en kromhalt överstigande 12 %. l närvaro av syre bildas då en tunn, osynlig hinna av kromoxid som i hög grad är kemiskt resistent och som förhindrar direkt kontakt mellan omgivande medium och stålet. Syre är dock ett krav för att denna oxidhinna skall kunna underhållas. Stålet säges befinna sig i passivt tillstånd. l reducerande miljö kan däremot något passivt kromoxidskikt ej bildas och stålet sägs då vara i aktivt tillstånd. Beteckningen "rostfria stål" är delvis oegentligt, då dessa stål mycket väl kan bli utsatta för korrosionsangrepp beroende på yttre omständigheter i relation till legeringshalt, värmebehandlingsgrad, svetslagningar etc. Benämningen "rosttröga stål" har därför lanserats, men inte kommit till allmän användning. Motståndskraften hos de rostfria stålen är beroende av upplösningshastigheten av det passiva oxidskiktet. Denna hastighet minskas främst genom legering med metaller, som i sig själva har hög motståndskraft mot de korroderande medierna. Sådana legeringsämnen är främst nickel, molybden och koppar. Kromets verkan är då mindre väsentlig för den kemiska resistensen. I dagligt tal skiljs mellan rostfria och syrafasta stål, varvid skillnaden utgörs av att syrafasta stål har tillsats av molybden. Genom de olika legeringstillsatserna förändras järnmassans struktur. Strukturtypen används för för att dela in rostfria och syrafasta stål i grupperna - se även figur 4.2: Ferritiska, Martensitiska, som är härdade eller härdbara, Austenitiska, som är helt omagnetiska, Ferrit, austenitiska, som är svagt magnetiska. 109

5 Figur 4.2 Modifierat diagram enligt schaeffler för bestämning av ett rostfritt materials struktur. De austenitiska rostfria stålen har lägre brottgräns och högre seghet ände övriga grupperna. Därigenom är de lättare att tillverka i olika leveransformer som plåt och rör. Genom att pumpar i allmänhet framställs genom gjutning, kan analysen väljas betydligt friare. Med samma huvudanalys finns idag en mängd olika materialvarianter standardiserade. Orsaken är främst den korngränsfrätning, som kan uppstå vid sidan av en svets. Korngränsfrätningen elimineras i olika standardkvaliteter på olika sätt: Genom låg eller extra låg kolhet. Genom tillsats av titan eller niob i halter 5-10 gånger kolhalten. Näst efter gråjärn utgör rostfritt stål det vanligaste pumpmaterialet. I Sverige utgör den ferrit-austenitiska kvaliteten SIS 2324 det i särklass vanligaste rostfria pumpmaterialet. Kopparlegeringar Gjutna kopparlegeringar kommer till användning mestadels för saltvatten och svaga, kalla kloridlösningar. Legeringarna har skiftande gjutbarhet vilket hänger samman med stelningsintervallerna, som i sin tur bestäms av legeringsämnena. För tenn-brons med ca 10 % tenn är intervallet C. Den främsta följden av detta är att en viss mikroskopisk porositet inte kan undvikas i den stelnande legeringen. Denna porositet behöver ej betyda att gjutgodset är otätt vid tryckprovning. Det breda stelningsintervallet gör legeringen relativt lättgjuten. Mässing med % zink och aluminiumbronser med ca 10 % aluminium har stelningsintervall mellan 2 och 10 C. Strukturen blir tämligen porfri men större sugningshåligheter kan uppträda, vilka kan förhindras genom effektiv matning. Dessa legeringar med smalt stelningsintervall är mera beroende av gjutstyckets konstruktiva utformning och medför högre gjutningskostnader. Ur korrosionssynpunkt ger koppar och dess legeringar mycket skiftande resultat. Här liksom för andra material är det en fast oxidfilm som utgör skydd mot vidare korrosion. Denna skyddsfilm bildas olika snabbt och påverkas olika av strömningshastigheten. I tabell 4.2 är några vanliga legeringar upptagna. För en mer detaljerad översikt hänvisas till resp SIS- och MNCnormblad. 110

6 Aluminiumlegeringar Aluminium- och magnesiumlegeringar tabell 4.2 används genom sin låga korrosionsbeständighet i förhållandevis liten utsträckning till pumpar. Undantag utgör områden, där låg vikt premieras t ex byggnadslänspumpar och där låga tillverkningskostnader är betydelsefulla t.ex. vissa massproducerade hushållspumpar. Användningsområdet kan ökas genom att galvanisk korrosion förhindras eller rent av utnyttjas genom t.ex.: Isolering från äldre material som t.ex. stål Anslutning till oädlare material s k offeranoder av zink eller magnesium. Tabell 4.2 Några pumpmaterial med aluminium resp. koppar som huvudbeståndsdel. För tryckklass minskar tillåtna tryck med temperatur se vidare SMS Nickellegeringar Legeringar på nickelbas liksom ren nickel kommer som ett naturligt tillskott, där de rostfria stålen ej längre stoppar från korrosionssynpunkt. De är som regel ganska svårgjutna och fordrar hög lödgningstemperatur-ca C-för att erhålla rätt struktur och kornstorlek och därigenom god korrosionsbeständighet. Nickellegeringar domineras av en grupp vanligen benämnd efter varumärket Hastelloy. Likartade legeringar tillverkas av många under varierande handelsnamn. De vanligaste nickellegeringarna - se även tabell ugör: Hastelloy B Denna kvalitet har i första hand tagits fram för att få ett material som är beständigt mot saltsyra vid alla koncentrationer och temperaturer och inom vissa gränser även kokande saltsyra. Den är även lämplig för svavelsyra, ättiksyra, fosforsyra, etc vid lägre temperaturer. Hastelloy C Detta är den mest universella av nickellegeringarna eftersom den är resistent i såväl oxiderande som reducerande atmosfär. Den används framförallt vid kloridlösningar, vätskor innehållande fritt aktivt klor, t ex blekvätskor typ hypokloriter och klordioxidlösningar, där klorhalten ej bör överstiga 15 g/l vid rumstemperatur. Den har även god resistens mot syror vid temperaturer under +70 C. 111

7 Hastelloy D Denna legering har god erosionsbeständighet tack vare stor hårdhet- ca 400 Brinell. Svavelsyra är dess största verksamhetsfält, för vilken den är beständig vid alla koncentrationer vid höga temperaturerinom vissa gränser även för kokande syra. Max korrosionsbeständighet uppnås först efter ca 6 veckor i drift, när en skyddande sulfatfilm bildats på ytan. Monel Monel är mer beständigt än nickel under reducerande förhållanden och mer beständigt än koppar under oxiderande förhållanden. Sammanfattningsvis kan sägas att monel är mera korrosionsbeständigt än sina huvudbeståndsdelar. Någon återutfällning av löst koppar kan ej ske eftersom nickel, koppar och monel ligger så nära varandra i den elektrolytiska spänningskedjan. Monel är emellertid ganska svårgjuten och ger ofta otätt gjutgods. Den används därför mestadels till pumphjul och axlar. Monel har mycket god korrosionsbeständighet mot saltvatten, speciellt vid högre strömningshastigheter. l stillastående havsvatten kan havsorganismer samlas på metallen och orsaka lokal koncentration av syre, vilket leder till punktangrepp. Tabell 4.3 Några pumpmaterial med nickel som huvudbeståndsdel. Övriga metalliska material För speciella ändamål förekommer en hel mängd av olika metalliska material. Bland dessa kan nämnas: Bly och blylegeringar Rent bly har på grund av sina dåliga mekaniska egenskaper ej kommit till användning för pumpgods. Genom tillsats av 10 till 25 % antimon (Sb) förbättras hållfasthetsegenskaperna avsevärt. Legeringen kallas hårdbly. Pumphus i hårdbly fordrar dock inklädning i ett stålhölje vid högre pumptryck. Bly har mycket god beständighet mot syror med undantag av salpetersyra. I svavelsyra bildas på blyets yta mycket svårlösligt blysulfat som verkar som en skyddande hinna. Bly är användbart för svavelsyra vid 30 % koncentration och +100 C, vid högre koncentration dock vid reducerad temperatur. I saltsyra bildas svårlösliga blyklorider, som i viss mån skyddar den underliggande metallen. Är syran i rörelse nöts emellertid ytskiktet lätt av, varför blypumpar för saltsyra ej rekommenderas. 112

8 Titan Titan har låg densitet-4500 kg/m3-och mycket god hållfasthet σb = 650 N/mm2. Titan är dock förhållandevis svår att tillverka. Titan centrifugalgjuts i vakuumkammare i närvaro av skyddsgas med form- och kärnmaterial av grafit. Metallen titan har fått en allt större användning inom den kemiska industrin främst tack vare sin goda korrosionsbeständighet mot lösningar innehållande fritt aktivt klor. I lösningar som klordioxid-vatten, hypokloriter, klorater och metallklorider är korrosion helt utesluten. Tantal Exotiska metaller som tantal, hafnium, niob och germanium har under senare tid fått allt större aktualitet för moderna industriprodukter där mycket hög korrosionsbeständighet krävs med hänsyn till driftsäkerheten. Metallen tantal har en korrosionsbeständighet som ligger mycket nära glasets. Den är beständig mot kokande svavel- och saltsyra. Tantals densitet är kg/m3. Gjut- och svetsbarhet för tantal är ytterst begränsade, varför detaljer med komplicerad form ej går att framställa till rimlig kostnad på dessa sätt. Pumpar utföres i allmänhet med inre beklädnad av tantal. Plaster Plastmaterial indelas i två huvudgrupper, som i viss mån har olika egenskaper, men framförallt har olika tillverkningsprocedurer: Härdplaster med vinylester, polyester, fenol eller epoxy som bas blandade med en hårdare. Fyllmedel och armering ingår dessutom nästan alltid för att öka hårdhet och mekanisk hållfasthet. Hårdare och fyllmedel varieras för att åstadkomma olika egenskaper. Fyllmedel och armering kan vara kvarts, täljsten, glasfiber, kolfiber etc. Om vätskeberörd yta ej är täckt med ren harts, måste även fyllmedlet vara beständigt mot den pumpade vätskan. Härdplasterna kan användas upp till c:a 150 C med ett något mindre vätskeområde än termoplasterna. Ibland kan kavitation och lufthaltiga vätskor ge allvarliga skador, varför största uppmärksamhet måste ägnas åt pumpars inloppsförhållanden. Termoplaster som polyvinylklorid, polypropylen, polyeten och PTFE används dels som formsprutade detaljer och dels i skiv- eller rörform för beklädnad. Vätsketemperaturer över c:a 80 C - PTFE dock c:a 200 C- kan sällan användas med hänsyn till termoplasternas mjukningstemperatur. I tabell 4.4 ges en grov översikt på beständighet mot olika vätskor. Genom olika tillsatser kan de i tabellen angivna värdena förändras. Det övre användningsområdet förutsätter att svällning, krypning, sprickbildning osv kan tillåtas i viss utsträckning. 113

9 Tabell 4.4 Beständighet för plastmaterial. (Källa G Eklund) R=resistent G=god SA=något angrepp A=angrips AO=angrips av oxiderande syror För pumpar av plast måste de för plastmaterialen specifika egenskaperna beaktas: Tryckklass måste alltid avvägas mot plasternas kryphållfasthet, vilket praktiskt innebär en extra säkerhetsfaktor på 3 till 10 jämfört med metalliska material. Termisk utvidgning speciellt i pumpens axiella utsträckning måste beaktas vid rörledningsdragning. Likaså bör rörledningskrafter avlastas pumpen i största möjliga utsträckning. Temporära överhettningar t ex på grund av för hårt ansatt packbox eller vid körning mot stängd ventil skall helt undvikas. Alternativa lösningar är då plantätning respektive flödesreglering genom shuntning. Andra icke-metalliska material För speciella ändamål förekommer många andra material: Gummi i olika vulkaniseringsgrader genom dess kemikalieresistens och mjukt gummi pga nötningsbeständighet - se avsnitt 4.5. Kol och grafit genom sin kemiska beständighet och för detaljer till axeltätningar pga sin låga friktionskoefficient. Stengods och glas pga kemikalieresistens. Glas är därvid bättre än stengods för mekaniska påkänningar och vid snabba temperaturväxlingar. 114

10 4.3 MATERIALHÅLLFASTHET OCH TRYCKTÄTHET Pumpar arbetande med sådana vätskor, som på något sätt kan vålla olycksfall, faller under gällande bestämmelser för tryckkärl. Pumpars statiska hållfasthet grupperas i tryckklasser t ex PN10, 16, 25 osv - se SMS där talvärdet anger högsta tryck i bar. (1 bar = 100 kpa = 0,1 MPa) Provtryckning sker hos tillverkaren som regel med 30 % högre tryck än tryckklassen*. Provtryckning kan ibland ej ske på komplett monterad pump på grund av t ex: att axeltätningen ej är utförd enl pumpens tryckklass, därför att tätningen under drift kanske bara belastas med en bråkdel av värdet enl tryckklassen. att axialkrafter från provtrycket på axelgenomföringar kan skada axiallager. I princip skall en pump vara tät vid provtryckningen, men något egentligt kriterium för täthet brukar saknas. Ibland anges att någon droppe ej får framträda efter 5 minuters provtryckning. En besvärlig bedömningsfråga är i vilken grad tätning av mindre läckor får göras. I stort gäller följande: För kvalificerade pumpar får små felaktigheter i gods vara lagade genom svetspåläggning av samma material som grundmaterialet. För svetsning och eventuellt tillhörande värmebehandling skall gällande föreskrifter för materialet iakttas. Diktning kan tillåtas, men är beroende på material, vätska och ställda krav på pumpen. Tätning genom "impregnering" med olika vätskor-plast, vattenglas, speciella kemikalier är fullgod praxis för vissa lättmetallegeringar, men är synnerligen tveksamt eller helt förbjudet för många andra material Pumpars hållfasthet bestäms av en kombination av verkan från det inre övertrycket och på anslutningsflänsarna verkande krafter och moment samt i vissa specialfall även av krafter från drivmotorn. Figur 4.3 Väggtjocklek hos pumphus av olika storlek bestäms av olika kriterier. * För standardpumpar enl ISO 2858 gäller 1,5 gånger pumpens högsta utloppstryck tillsammans med en korrektion för vätsketemperatur enl överenskommelse leverantör/användare. 115

11 Det inre övertrycket utgör summan av inloppstryck, pumpens maximala tryckhöjning och ett belopp beroende på tryckslag i anläggningen. Det totala inre övertrycket skall vara mindre än det för tryckklassen tillåtna. Praktiskt beror hållfastheten på pumparnas storlek. Mindre pumpar är i allmänhet överstarka, medan stora kan vara mycket känsliga för dynamisk belastning från tryckstötar figur 4.3. För stora pumpar kan det vara motiverat att ersätta spröda material som gråjärn med sega material t ex segjärn. När pumpar faller under tryckkärlsnormerna får materialvalet ske med hänsyn till förlängning och ibland även slagseghet. Figur 4.4 ger ett exempel för rostfria stål på att det kan krävas ganska många materialkvaliteter för att täcka in olika krav på hållfasthet och korrosionsbeständighet. Figur 4.4 Indelning av några rostfria stål med hänsyn till hållfasthet och korrosionsbeständighet. Siffror avser SIS-nr och A20=Alloy 20. Tomma rutor täcks av olika tillverkares specialkvaliteter. För plastmaterial minskas hållfastheten kraftigt med tiden -s k krypning. Förloppet sker snabbare vid ökad temperatur och även i vätskor. Figur 4.5 visar några värden för krypning i luft. Vid upphandling av pumpar i plast- särskilt för riskfyllda vätskor-bör motsvarande uppgifter för den aktuella vätskan anskaffas från pumpeller materialleverantör. Figur 4.5 Statisk långtidshållfasthet för olika plastmaterial. Temperatur 23 C och 50 C- - - (källa Mekanresultat 68002) 116

12 4.4 KORROSION OCH EROSION Korrosionshastighet För att ett material i praktiken skall vara"helt" beständigt bör inte materialförlusten från ytan överstiga c:a 0,1 mm/år. Är materialförlusten i storleksordningen 1 mm/år är materialet fortfarande användbart, men givetvis måste kontroll eller utbyte då ske med vissa intervaller. Korrosionshastighet uttrycks endera som inträngningsdjup eller som viktsförlust per ytenhet och tidsenhet. Omräkningsfaktorer för några vanligen användna enheter återfinns i tabell 4.5. Tabell 4.5 Omräkning av olika enheter för korrisionshastighet. 1 mil*=0,001 tum. För inträngningsdjup gäller omräkningen enbart stål eller ämnen med samma densitet. * Anglosachsisk beteckning från mille = tusendel Korrosionsformer Enheterna för korrosionshastighet förutsätter en jämn avfrätning över hela ytan-allmän korrosion. Ofta gäller inte detta utan andra korrosionsformer kan uppträda: Galvanisk korrosion, som uppträder när olika metaller kopplas samman spaltkorrosion, som uppträder i spalter, där vätskemängden kan bli mer eller mindre isolerad från huvuddelen av vätskan punktkorrosion innebärande att korrosionen koncentreras till små ytor punkter interkristallin korrosion oftast beroende på omfördelning av legeringsämnen vid värmebehandling selektiv korrosion innebärande att ett enda legeringsämne löses ut t ex avzinkning hos mässing erosionskorrosion, som uppträder i strömmande medier och är den vanligaste komplikationen för pumpar spänningskorrosion, där en kombination av mekanisk belastning och vätskeangrepp, kan föranleda brott. Spaltkorrosion och punktfrätning är besläktade företeelser som främst är besvärande för rostfria stål i kloridhaltig miljö. Dessa angrepp sker i hål eller spalter, där de termodynamiska förutsättningar för en passiv film saknas genom avskärmningen från omgivningen. l pumpar bör speciell försiktighet iakttagas mot spaltkorrosion vid hjulfastsättningen eller på axeln under roterande plantätningar. l strömmande vätska minskar risken för punktfrätning. Punktfrätning uppstår i allmänhet inte så länge en pump går. Vid längre perioder av stillastående i kloridhaltig vätska bör pumpen emellertid tömmas och helst sköljas med vatten. För pumpar och då speciellt pumpaxlar är vidare s k korrosionsutmattning av intresse. Redan obetydlig korrosion kan minska ett materials utmattningshållfasthet med en faktor 3 till

13 När korroderar en metall? Om en metall överhuvudtaget angripes i en viss vätska är en termodynamisk fråga som brukar Åskådliggöras i potential ph-diagram enligt figur 4.6. Figur 4.6 Potential ph-diagram för järn/vatten vid rumstemperatur. (källa Pourbaix) De olika fälten i figur 4.6 visar vilka reaktioner som är möjliga mellan järn och vatten beroende av ph och redoxpotential-lösningens oxiderande förmåga. Däremot säger diagrammet ingenting om korrosionshastigheten eller om hur tätt ett passiverande oxidskikt är. Liknande diagram finns för de flesta metaller i vatten vid rumstemperatur. Av figur 4.6 framgår bl a att när järn används i vattenlösningar är man alltid beroende av att ett täckskikt av korrosionsprodukter bildas, som förhindrar vidare angrepp. Detta är i själva verket fallet för de flesta bruksmetaller i vattenlösningar. Endast exklusiva ädelmetaller som guld och platina är immuna inom större delen av vattnets stabilitetsområde. Erosionskorrosion Erosionskorrosion är synnerligen vanlig i turbopumpar, där strömningshastigheterna nästan alltid överstiger 20 m/s mot 1 till 2 m/s för en rörledning. Erosionskorrosion karakteriseras av hästskoformade mönster, underskurna i strömningsriktningen och med blanka ytor fria från korrosionsprodukter - figur

14 Figur 4.7 Erosionskorrosion på pumphjul för sulfatlut av rostfritt stål typ 13Cr + Mo. Observera nitarna som är helt intakta. Dessa var utförda av SIS För detta fall borde pumphjulet ha varit utfört av SIS 2324 eller SIS När en metall angrips förbrukas ett oxidationsmedel t ex 02 eller H+ vid metallytan och metalljoner bildas. Koncentrationen av metalljoner kommer således att vara högre vid metallytan och koncentrationen av oxidationsmedel lägre än i vätskans huvudmassa figur 4.8. Koncentrationsdifferenserna vid metallytan beror på svårigheter för den transport av deltagande ämnen som är nödvändig för att korrosionen överhuvudtaget skall kunna fortgå. Figur 4.8 Koncentrationsdifferenser vid en allmänkorroderande metallyta. Uppenbarligen kommer dessa transporter att underlättas och därmed korrosionshastigheten att öka om vätskan är i rörelse, vilket i hög grad är fallet i en centrifugalpump figur 4.9. Försiktighet med korrosionsdata från prov i stillastående vätskor bör därför iakttas när material till pumpar väljes. 119

15 Figur 4.9 Korrosionens principiella ökning med vätskehastigheten vid allmänkorrosion. Skyddsfilmer Skyddsfilmer kan avlägsnas av hastigt strömmande vätska. Om metallytan har ett skyddande skikt av korrosionsprodukter kan detta vara av två olika slag: Porös rel. tjock film Exempelvis filmen på kopparlegeringar och grafit på gjutjärn. Tät tunn film Exempelvis de passiva filmerna, som normalt finns på rostfritt stål, titan osv. De tjocka skyddsfilmerna har ofta en komplicerad sammansättning genom att föroreningar i vätskan såsom kalk kan ingå som en väsentlig beståndsdel. Av denna orsak är det svårt att förutsäga om någon effektiv film kommer att bildas eller ej. Vid de hastigheter som är aktuella i centrifugalpumpar har dessa filmer ofta en skarp gräns ovanför vilken de avlägsnas av den strömmande vätskan. Tjocka filmer är relativt känsliga för fasta partiklar, kavitation och t o m luftbubblor i den strömmande vätskan. Även om sådana störningar endast sporadiskt förekommer kan de vålla stor skada eftersom dessa filmer återbildas relativit långsamt - dagar eller veckor. De mycket täta och tunna passiva filmerna består oftast bara av en enkel metalloxid t ex kromoxid på rostfritt. Dessa filmer har mycket god vidhäftning och avlägsnas inte ens av mycket höga vätskehastigheter. Tvärtom bidrar en strömmande vätska till att hålla filmen intakt genom att förhindra punktfrätning. För att en passiv film skall skadas fordras att den strömmande vätskan innehållerfasta partiklar eller att strömningsförhållandena är sådana att kavitation uppstår. Passiva filmer återbildas i regel snabbt efter en skada och tillfälliga störningar av fasta partiklar eller kavitation leder vanligen ej till kvardröjande korrosion. Om en passiv skyddsfilm av någon anledning saknas på rostfritt stål, titan osv kan man vänta kraftiga korrosionsangrepp. Korrosionens temperatur och tryckberoende Kemiska reaktioner ökar exponentiellt med temperaturen*. Vid ökande temperatur kan emellertid sekundära effekter inträffa som gör att korrosionen i stället minskar. Sålunda minskar syrgashalten i vatten vid atmosfärstryck med ökande temperatur och därmed minskar korrosionen på t ex järn Om övertryck råder kan lösta gaser som O2 och H2 finnas i vattnet även vid höga temperaturer och påverka korrosionen. När en centrifugalpump körs mot stängd ventil kommer hela motoreffekten att omvandlas till värme i pumpen, vilket snabbt leder till höga temperaturer. Speciellt i korrosiva vätskor kan detta leda till kraftiga angrepp genom att en passiv film kan förstöras. Körs plastpumpar mot stängd ventil kan de mjukna och totalhaverera och bör därför förses med temperaturvakt. * Kemins tumregel att en reaktionshastighet fördubblas vid en temperaturhöjning av 10 C gäller även korrosionsförlopp. 120

16 Korrosionsprovning vid höga vätskehastigheter För korrosionsprovning i strömmande vätskor finns flera olika metoder att välja på: Om provet avser att bestämma den troliga korrosionshastigheten bör en provutrustning väljas som i största möjliga utsträckning liknar den konstruktion som provet avser. Detta för att provet skall kunna ske vid samma Reynolds tal - likformig strömning. l annat fall blir resultatet endast en jämförelse mellan olika material. När korrosionsprovet avser pumpar används med fördel en innesluten roterande skiva med lämpligt varvtal så att Reynolds tal = u * d/ är ungefär detsama som för pumphjulet. I stället för att rotera en hel skiva av provmaterialet kan små elektriskt hopkopplade provbitar fällas i n i den fasta väggen mittemot skivan - figur vilka då känner av samma hastigheter som den roterande skivan. Denna placering av provbitarna har den stora fördelen att elektriska mätningar är lätta att utföra. Se figur Dessutom kan ytor utsatta för olika vätskehastigheter göras åtminstone lika stora. Vid en massiv roterande skiva är ju största delen av ytan utsatt för högre vätskehastigheter, medan det i en pump är tvärtom, på grund av pumphusets stora yta. * Kemins tumregel är att en reaktionshastighet fördubblas vid en temperaturhöjning av 10 C gäller även korrosionsförlopp. Figur 4.10 Provapparat Corromatic, (Sonesson/API patent) A provplatta, B rotor, C provkammare, D provkropp med infästning, E reglerbar motor. 121

17 Figur 4.11 Elektrisk koppling av provbitar utsatta för olika vätskehastigheter.a förstärkare + skrivare. Provningsarrangemanget enligt figur 4.10, 4.11 kommer att efterlikna de viktiga faktorerna vid korrosionsförloppet i en pump, nämligen: Alla ifrågavarande vätskehastigheter finns på en gång. Eventuella omfördelningar av metallförlusterna på grund av galvaniska strömmar mellan delar av samma metall utsatta för olika vätskehastigheter sker. Förutom vid korrosionsprovning vanligen förekommande vägningar, mätningar av potentialer m m mätes de galvaniska strömmarna. Om metaller korroderar förekommer nämligen galvaniska strömmar mellan delar av samma metallyta utsatta för olika vätskehastigheter. Genom att registrera eventuella strömmar är det alltså möjligt att i varje ögonblick se om korrosion förekommer och även att kvalitativt följa förändringar i korrosionshastigheten, uppbyggnadet av en skyddande film av korrosionsprodukter osv. Även andra oavsiktliga förändringar i korrosionshastigheten kan enkelt registreras. Material som bildar tjocka skyddsfilmer fordrar relativt långa provtider och meningsfulla laboratorieprov kan vara svåra att genomföra, eftersom det är svårt att hålla kontroll på vätskans sammansättning över längre tidsperioder. Det är i dessa fall bättre att flytta laboratoriet till vätskan än tvärtom. När det är fråga om utpräglat passiva filmer som normalt bildats på provbitarna redan i luften är det lämpligt att avlägsna denna film - aktivering - och sedan se om passiviteten återtas i den aktuella vätskan. Efter aktivering fås passivitet, åtminstone inom någon timma om den överhuvudtaget återfås. Om allmänkorrosionen efter viss stabiliseringstid är likformig i tiden konstateras detta genom att de galvaniska strömmarna också är det. Provningstiden avpassas då så att stabila förhållanden rått under allra största delen av tiden. 122

18 I figur 4.12 ges några exempel på provningsresultat med utrustning enligt figur Figur 4.12 Korrosionsangrepp som funktion av strömningshastigheten. 4.5 MATERIAL FÖR SLITANDE VÄTSKOR Vätskor innehållande fasta partiklar ger ofta betydande materialproblem. Till en del kan problemen lindras genom val av pumpkonstruktioner lämpliga förslitande vätskor. För slitage utsatta områden kan vidare förses med utbytbara "skoningar" eller utföras med en rikligt tilltagen slitmån. Exempel på detta utgör slitgodspumpar för transport av fast material som aska, sand, makadam etc. I dessa pumpar är inte bara slitmånerna stora, utan även pumparnas axelsystem dimensionerade för de obalanser, som kan uppstå till följd av slitage. För slitande vätskor användes två huvudgrupper av material-hårda metalliska material och olika typer av gummibeklädnader. 123

19 Hårda metalliska material För de hårda metalliska materialen gäller följande: Materialförlusten ökar kraftigt, när partiklarnas hårdhet är högre än materialet i pump eller skoningar. Materialförlusten ökar med kornstorlek, kantighet hos kornen och halten partiklar. Ökade slitstyrka fås genom ökad hårdhet hos pumpmaterialet, men denna inverkan är betydelsefull först, när pumpmaterialets hårdhet överstiger c:a 300 Brinellenheter. Kombination av allmän hårdhet hos pumpmaterialet med slitstyrka från enskilda element hos pumpmaterialet är bra. Exempel på detta utgör Ni-Hard - ett martensitiskt kromstål, där slitstyrkan fås från korn av kromkarbid inbäddade i ett hårt grundmaterial. Gummibeklädnader För gummibeklädnader fås slitstyrkan genom att fasta partiklar mer eller mindre studsar mot gummiytan utan att direkt skada denna. För gummibeklädnader gäller följande: Mjukt gummi är bättre än hårt gummi. Gummi är gynnsamt om partiklarna träffar ytan vinkelrätt- infallsvinkel 90 -eller rör sig längs ytan, men är ogynnsamt vid infallsvinklar mellan c:a 5 till 30. Gummibeklädnadens tjocklek skall vara 2-3 gånger partiklarnas storlek för att utnyttja "studseffekten". Skarpa partiklar kan skära sönder gummits yta. När gummibeklädnader med hänsyn till partikelstorlek och vätsketemperatur kan användas är det överlägset de hårda metalliska materialen. För andra material kan nämnas att keramik är mycket bra, medan olika försök med plaster hittills ej gett bra resultat. För alla materialkvaliteter ökar slitaget kraftigt med strömningshastigheten. Slitaget växer minst med tredje potensen på hastigheten och fall följande en sjunde potentslag har observerats. Dessa samband medför att slitaget för en centrifugalpump med uppfordringshöjden H växer proportionellt mot H3/2 till H7/2. Uppfordringshöjden per pumpsteg blir därför begränsad och är maximalt: C:a 50 m för gummibeklädda pumpar C:a 100 m för pumpar av slitstarka metaller. 4.6 KAVITATIONSBESTÄNDIGA MATERIAL Då kavitation uppträder i en pump, slår de bildade ångblåsorna samman imploderar - med lokala tryckstegringar på upp till MPa som följd. Implosioner i närheten av en begränsningsyta i en pump ger en "hamrande" belastning på ytan med följd att material framgent lossnar. Utseendet på kaviations skador är därför ganska typiskt - figur, Ytan får ett taggigt och svampaktigt utseende, som är begränsat till de zoner i en pump, där låga tryck kan uppträda. 124

20 Figur 4.13 Pumphjul med kavitationsskador. Om kavitationsskador har uppstått i en pump skall i första hand NPSH i anläggningen förbättras genom att: Öka tillgänglig tillrinningshöjd eller minska sughöjd, Sänka temperaturen hos vätskan före pumpinloppet genom direkt eller indirekt kylning. Om detta ej låter sig göra eller om kavitationsförloppet medvetet användas för reglering, som för vissa kondensatpumpar, måste kavationsbeständiga material användas. Urval kan därvid ske med ledning av resultat från omfattande experimentserier - figur Som denna figur visar dröjer det en viss tid innan kavitationsskador börjar att uppträda. Förloppet påminner om inkubationstid för vissa infektionssjukdomar. Figur 4.14 Olika materials beständighet mot kavitation. 125

21 4.7 MATERIALKOMBINATIONER OCH MATERIALVAL I PUMP Eftersom vissa konstruktionselement i en pump är mer utsatta än andra element är det naturligt att utföra dem i ett bättre material. Motivet kan även vara att detaljer, som permanent eller tillfälligt har metallisk kontakt med varandra, skall ha goda glidegenskaper. Sådana fall förekommer i förträngningspumpar eller vid oavsiktlig kontakt mellan pumphjul och hus i centrifugalpumpar. Som regel bör materialen vara helt olika och om de är lika, ha en hårdhetsskillnad på åtminstone 30 Brinellenheter. Galvanisk korrosion Vid kombination av olika metaller kan galvanisk korrosion uppträda. Detta medför att den oädlare metallen - anoden - får ökad korrosionshastighet jämfört med den ädlare katoden - som i stället skyddas. En uppfattning om riskerna för galvanisk korrosion fås ur den s k spänningskedjan - tabell 4.6. Praktiskt kan metaller med en potentialdifferens på 0,2V "kopplas samman" utan att konsekvenserna blir besvärande. Vid stor anodyta och liten katodyta t ex pumphus - pumphjul kan potentialdifferensen för vissa gynnsamma kombinationer ökas till det dubbla. Figur 4.15 visar ett drastiskt fall av galvanisk korrosion. Tabell 4.6 Spänningskedja för metaller med potentialvärden uppmätta i havsvatten. (källa S Bartha) 126

22 Figur 4.15 Galvanisk korrosion på pumpaxel av rostfritt stål typ 13 Cr. Axeln har legat i reserv med grafithaltig boxpackning monterad, varvid kondens av luftfuktighet orsakat korrosionen. Angreppet har påskyndats genom spaltkorrosion. Materialkombinationer För materialkombinationer i centrifugalpumpar finns en viss praxis etablerad. Denna innebär att pumphjul och diverse smådelar utförs av bättre material än pumphuset. För en axel måste vidare hänsyn tas till korrosionsutmattning, som uppträder även vid förhållandevis ringa korrosionsangrepp och efter en tid medför axelbrott. Ett alternativ för axeln är att utföra den helt avtätad från vätskan. För det enklaste pumphusmaterialet gråjärn förekommer tre olika pumphjulsmaterial i tabell 4.7. När pumphjulet är utfört av gråjärn finns risk för sammanrostning efter en provning eller när pumpen står stilla. Ett bättre materialval är då pumphjul av rödmetall eller av syrafast stål. Är vätskans ph över c:a 8-9 är rödmetall dock inte beständig. Förde olika materialen finns i tabell 4.7 kostnadsrelationer. Med dessa avses enbart att ge en ungefärlig bild av prisnivån, då kostnadsrelationerna berov av pumpstorlek, baspris på olika metaller osv. Tabell 4.7 Några vanliga materialkombinationer för pumpar. Om axeln är avtätad mot vätskan kan den utföras i enklare material. 127

23 Materialval I tabell 4.8 återfinns en grov rekommendation på användningsområden för olika material. Se även kapitel 10 Vätskors egenskaper. För mer detaljerade uppgifter hänvisas till litteraturförteckningen i avsnitt 5.9. Tabell 4.8 Material för centrifugalpumpar och deras huvudsakliga användningsområde. 128

24 4.8 PRAKTISKA PROBLEMSTÄLLNINGAR VID MATERIALVAL Processinverkan Materialval sker ur korrosionssynpunkt från två helt olika utgångspunkter: Materialvalet skall ge avsedd livslängd för pumputrustningen. Materialvalet skall dessutom vara sådant att den process, där en pump ingår som hjälpapparat, inte påverkas menligt. Exempel på processinverkan kan vara nästan allting från rostfärgat vatten vid en dricksvattenanläggning till "förgiftning" av katalysatorer i en kemisk process genom korrosionsprodukter från pumpen. Processinverkan kan således i vissa fall omöjliggöra användning av material, som i sig själv har tillräcklig korrosionsbeständighet. Materialval vid bristande processunderlag I vissa fall är det praktiskt taget omöjligt att specificera den pumpade vätskan. Typexempel på detta kan vara olika restprodukter och avloppsvatten från t ex en galvanisk industri. I det sistnämnda fallet vet man exempelvis bara, att vätskan innehåller besvärande halter av klorider, syror - ja kanske även av fluorvätesyra och korrosionsbeständigheten hos material med rimlig kostnadsnivå är otillräcklig. Om vätskan dessutom innehåller fasta, slitande partiklar är problemet riktigt besvärligt. Problem av denna typ får lösas med hjälp av sunt förnuft med vissa experimentinslag under den första driftstiden. Några faktorer som då kan vara värda att beakta är: Om möjligt skall fasta partiklar avskiljas före pumptransporten. Om detta kan genomföras är för typexemplet olika piaster, t ex epoxy, ett gott materialval. Om fasta föroreningar däremot förekommer bör nog ett metalliskt material väljas t ex kiseljärn eller ett så höglegerat rostfritt stål, som man tycker sig ha råd med. Om möjligt bör korrosionsprov med mindre provbitar anordnas. Provbitarna skall hängas upp så att de kan återfinnas och så att galvanisk korrosion förhindras. Val av pumpleverantör bör göras så att flera alternativa material kan fås inte bara i hela pumpen utan även för de olika pumpdetaljerna. Genom detta kan enstaka delar med korrosionsskador eller hela pumpen bytas till bättre material. Eftersom experimentinslag kan vara att vänta, bör pumpuppställning göras med tanke både på pumpservice och konsekvenser vid material. När praktiska driftsresultat sedan föreligger, är det ganska lätt att ekonomiskt optimera materialvalet med hänsyn till erhållen livslängd och anskaffningskostnader för olika material. Nödvändiga uppgifter för materialval checklista En översikt för grovval av material återfinns dels i kapitel 10-Vätskor och dels i avsnitt 4.7. Med hjälp av dessa kan material väljas för stora grupper av vätskor. För mer intrikata fall rekommenderas studium av speciallitteratur enligt avsnitt 4.9. Det är emellertid ofrånkomligt att även detta underlag i många specialfall är otillräckligt, varför en bedömning utifrån likartade fall från praktisk drift måste ske. De uppgifter, som behövs för pump- och materialval, har sammanställts i tabell 4.9, som även har karaktären av en checklista. 129

25 Tabell 4.9 Checklista för materialval 130

26 4.9 LITTERATURFÖRTECKNING Handböcker, t ex La Que, Copson Corrosion Resistance of Metals and Alloys Reinhold, New York 1963 Uligh Corrosion and Corrosion Control John Wiley o Sons, New York 1963 Wranglen Metallers korrosion och ytskydd Almqvist o Wiksell, Uppsala 1967 National Association of Corrosion Engineers Corrosion Data Survey Houston, Texas Materialleverantörers underlag Avesta Jernverks ABKorrosionstabeller för rostfria stål och titan, 1970 Uddeholms AB Korrosionshandbok, rostfria stål G & L Beijer AB, Malmö Plast Trelleborg Gummifabriks AB Beklädnader av gummi och plast, 1970 I Mekanresultat utgiven av Sveriges Mekanförbund - anvisas sådana konstruktiva lösningar betr materialets utförande som bidrar till funktionspålitlighet hos centrifugalpumpar. 131