Korrosion och Erosion på pumpar

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 korrosionshastighet.

*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 10.

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 centrifugalpumpar, 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 4.7.

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 2343.För detta fall borde pumphjulet ha varit utfört av SIS 2324 eller SIS 2343.

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.

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.

Korrosionsprovning vid höga vätskehastigheter

För korrosionsprovning i strömmande vätskor finns flera olika metoder att välja på:

• strömning i rör
• roterande cylinder
• roterande skiva
• besprutning av ett provstycke med en tunn vätskestråle

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 4.10 – 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 4.11. 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.

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.

I figur 4.12 ges några exempel på provningsresultat med utrustning enligt figur 4.10.

Figur 4.12 Korrosionsangrepp som funktion av strömningshastigheten