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螺栓系统中的生锈:原因和预防

螺栓系统中的生锈:原因和预防

复杂的钢组件的命运可能取决于其最小和最少考虑部件的脆弱性。将组件固定在一起的螺栓或紧固件通常是腐蚀首先开始的区域,并且腐蚀的影响可能产生最严重的后果。虽然使用合金螺栓会产生很大的不同,但海上工业和其他地方使用的绝大多数螺栓都是碳钢。由于一些螺栓在短短六个月内失效,并且工业基础设施的设计寿命经常超过,因此需要一种补救措施来改善使用标准涂层系统获得的通常短暂的结果。本文探讨了螺栓系统中的腐蚀以及如何防止腐蚀。

螺栓腐蚀机制:为什么螺栓如此容易生锈?

如果我们仔细观察钢螺栓系统,我们会发现使用相对较小的螺母和螺栓组装和固定大型部件。这种组件遍布全球各个角落的管道、机械和其他基础设施。无论在哪里发现它们 - 在接头中,尤其是在螺栓中 - 都是发现最大腐蚀效果的地方。腐蚀电位、相对尺寸、混合材料、装配过程中涂层损坏以及组件之间形成的缝隙的差异都是影响螺栓腐蚀的众所周知的因素,但在实践中往往被忽视。图 1 是装配体的设计和构造如何产生不必要问题的示例。照片显示了一段由低合金和高合金钢组合建造的管道,低合金钢法兰使用低合金螺栓和螺母连接到高合金法兰 - 全部由焊接角铁片支撑。 

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图1.混合金属的典型问题。在发生涂层损坏的地方,低合金法兰的腐蚀很明显,但最重要的是螺栓中的腐蚀程度。在这里,我们有两个关键因素在起作用:

  1. 相对大小。
  2. 腐蚀电位。

螺栓由低合金钢制成,腐蚀潜力约为0.85。法兰是高合金的,腐蚀电位约为0.5 - 差异为0.35,远远超出可接受的差异。此外,螺栓和螺母相对于它们所连接的结构很小,加剧了腐蚀效应。在某些环境中,此类螺栓可能会在安装后数周内表现出明显的腐蚀,因为它们受到的影响与阴极保护 (CP) 系统中的牺牲阳极相同。

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图2.螺栓中的腐蚀过程会导致它们充当牺牲阳极。

螺栓中的电偶腐蚀

当两种不同的金属相互接触,而电解质覆盖连接区域时,就会发生电偶腐蚀。金属之间的电势差是加速腐蚀攻击发生的驱动力。该工艺尤其适用于海滨、海事或海上应用中的螺栓系统。在这些环境中,金属结构通常由铝制成 - 与常见的误解相反,它具有极强的腐蚀性。在含有铝结构和含水氯化钠(海盐)覆盖的金属螺栓的海滨、海事或海上应用中,可以创建原电池。在这些条件下,必须仔细设计螺栓连接,以尽量减少铝结构和金属螺栓之间电偶腐蚀的发生。为这些螺栓连接选择合适的材料可能并不容易。在无法为螺栓选择能够最大限度地减少电偶腐蚀的材料的情况下,可以在两个配合区域之间放置一个绝缘层,如垫圈,以避免接触,从而防止电偶腐蚀。(许多人错误地认为铝没有腐蚀性,因为它含有特定的防腐蚀机制,涉及形成一层薄薄的氧化铝保护层,从而保护材料免受进一步的氧气进入。有了保护层,铝的腐蚀过程通常不会推进。但是,在某些情况下,此过程不能完全防止腐蚀。电偶或双金属腐蚀会导致铝的持续腐蚀。

螺栓损坏和缝隙腐蚀

在螺母和螺栓中,组装会导致涂层损坏和渗透,从而导致腐蚀。图1显示了在飞溅区仅18个月后,其聚四氟乙烯(PTFE)和镀锌层在暴露后六周内失效的螺母。在盐雾测试中,锌/镍涂层预计在“红锈”发生之前至少持续 1,000 小时。诸如此类的加速老化测试旨在证明涂层系统在极端测试条件下的潜在寿命。例如,如果它可以在盐雾柜中持续 1,000 小时,那么在正常条件下涂层的使用寿命应该是 10 年。然而,1,000小时只是六周。在现实世界中,图 1 所示的螺栓在 20 年的结构设计寿命内,在恒定的盐雾条件下暴露了 18 个月。垫圈和螺栓头下的缝隙腐蚀以及螺纹上的脱粘涂层也在影响螺栓连接的一系列问题中发挥作用。作为挪威船级社(DNV)测试计划的一部分,一份关于螺栓故障的报告显示,垫圈比螺栓系统中的任何其他组件都更容易失效。很容易理解为什么这可能是真的,因为垫圈是最小的部件,被困在缝隙中,受到来自两侧的转动力,很少小心处理。有哪些补救措施?从本质上讲,螺栓组件中发生的腐蚀存在三种标准补救措施:

  1. 什么都不做。世界各地的基础设施生锈是对将今天应该做的事情推迟到明天的哲学的致敬。
  2. 拆开所有东西,清洁,重新涂覆,更换和重新组装。如果整个液化石油气运输船、海上平台或炼油厂每 18 个月需要翻新一次,Tiis 就不实用。
  3. 定期清洁/喷砂/重新涂覆受影响最严重的区域。这是常见的做法,但是,一旦腐蚀在系统中,很少完全成功。

紧固件防腐蚀保护

保护紧固件免受腐蚀的最佳方法是将其影响纳入设计过程。最好的方法是考虑使用紧固件的应用以及使用环境,并确保所使用的金属不会因相互反应而加速腐蚀过程。根据电偶理论,材料和产品的放置方式应限制电偶腐蚀的发生。例如,铝合金和铜不应组合使用,尤其是在由于环境盐度而pH值较高的情况下。对于高pH值应用,不锈钢及其合金最好与铜搭配,但是需要保护涂层以减少腐蚀。此外,重要的是要了解电极电位之间的差异受应用或产品放置环境的影响。

如何进行防腐蚀设计

  • 分析腐蚀性环境及其要求。
  • 选择具有足够耐腐蚀性和类似电位的材料。
  • 避免几何形状,这些形状会收集水和污垢,产生应力提升并导致侵蚀。
  • 选择合适的防腐蚀方法(例如,表面涂层、牺牲阳极、直流电)。
  • 定义需求。例如,确定您的应用是否应遵守 ISO 9227 盐雾腐蚀测试、不锈钢 ASTM G48 电化学腐蚀测试、环境腐蚀等级或其他此类框架。

除了在设计过程中考虑腐蚀因素外,还有几种最佳实践可以延迟产品或应用的腐蚀。其中包括:

  • 选择电极电位相似的材料。
  • 使用特殊的油漆或涂层来形成保护屏障。
  • 使用牺牲阳极来保护核心产品。
  • 引入电流以抵消任何电流反应。

虽然涂层是腐蚀保护的标准形式,也是最经济的形式,但它们并非万无一失。例如,在盐水环境中耐腐蚀的涂层可能无法抵抗脱脂溶液。最后,重要的是要考虑任何和所有防腐蚀策略的成本。如果最有效的策略超出预算,则可以使用不同的方法。

耐腐蚀紧固件

有许多材料具有防腐蚀性能。其中包括:

不锈钢

由于合金中铬含量高,不锈钢具有耐腐蚀性能。不锈钢需要至少 10.5% 的铬作为合金材料的一部分才能被认为是不锈钢的。耐腐蚀性来自铬,因为当暴露于氧气时,钢会形成一层氧化铬。通过在合金中添加钼、钛、镍或铜,可以提高耐腐蚀性水平。

钛具有优良的应力腐蚀开裂性、高耐腐蚀性和许多耐腐蚀特性。

双工和超级双工

双相和超级双相不锈钢用于提高耐腐蚀性和抗应力腐蚀开裂性。双相不锈钢以其抗应力腐蚀开裂而闻名。超级双相钢是一般耐腐蚀性的更好选择。超级双相不锈钢用于许多要求苛刻的应用,具有出色的耐腐蚀性,在石油和天然气行业中受到严重依赖。

镍 铁合金

像钛一样,铬镍铁合金有许多等级,它们都具有不同的性能。由于材料的抗腐蚀性能,这些等级中的大多数经常用作紧固件或固定件以及化学暴露。它们还具有很强的抗高纯度水腐蚀和应力腐蚀开裂能力。铬镍铁合金 600 对大量腐蚀性元素具有非常高的抵抗力。铬镍铁合金 617 既耐腐蚀又抗氧化,由于其对各种腐蚀性液体的抵抗力,经常出现在化学加工中。

铬镍铁合金

铬镍铁合金与铬镍铁合金属于同一高温合金家族,但两者都具有不同的性能。铬镍铁合金的含铁量高于铬镍铁合金,并且有多种等级可供选择——所有这些都非常适合耐腐蚀紧固件。Incoloy 800含有镍,铬和铁,耐高温腐蚀,包括氧化和渗碳。Incoloy 825还含有镍,铬和铁,但也包括钼,铜和钛。后一种材料的添加提供了很好的抗应力腐蚀开裂、缝隙腐蚀和点蚀的能力。铬镍铁合金 832 耐点蚀和热盐腐蚀。Incoloy 901具有铁基,含有镍和铬,在高温下结合了高强度和耐腐蚀性。Incoloy 925可能是紧固件最常见的等级,具有出色的抗应力腐蚀开裂,氧化,点蚀和缝隙腐蚀性能。

哈氏合金

哈氏合金是一种镍钼合金,与铬镍铁合金和铬镍铁合金一样,有多种等级可供选择,这些等级都具有很高的耐腐蚀性。它是一种高温合金,如铬镍铁合金和铬镍铁合金,具有很高的均匀侵蚀性和局部耐腐蚀性。

锆紧固件以其对一些最恶劣环境的抵抗力而闻名,包括盐酸和硫酸。它们是酸性浓度的理想选择,但不适用于氯化铁或氯化铜。

钽紧固件以其优异的耐腐蚀性在业内而闻名,具有金属的所有特性和与玻璃相似的耐腐蚀性。

螺栓防腐涂层

镀锌

紧固件,特别是钢紧固件,用锌电镀,以获得更好的耐腐蚀性。锌是电镀紧固件的主要材料;锌镍和锌铁等锌合金也是电镀的。镀锌涉及在紧固件上涂上一层微米的薄锌涂层,为它们提供一层保护,免受周围环境的影响。电镀紧固件的过程称为滚镀.镀锌紧固件随后可以钝化为各种颜色,包括透明、黄色和绿色。该工艺的耐腐蚀性还取决于随后的钝化工艺:例如,绿色钝化比透明钝化具有更高的耐腐蚀性

热浸镀锌

就性能和成本而言,钢紧固件最有效的涂层之一是热浸镀锌。热浸锌表面比电镀锌涂层更暗淡和粗糙。该过程通过将紧固件浸入熔融锌浴中,然后离心机旋转紧固件以均匀分布并去除多余的紧固件来应用于紧固件。热浸镀锌的典型涂层厚度为50微米(μm) - 这是紧固件上最厚的锌涂层,具有出色的耐腐蚀性。

锌片

锌片基涂料,通过浸渍和旋转或喷涂技术涂覆,随后通过加热固化。涂层主要由锌片组成,通常与少量铝混合。薄片厚度约为一微米,并与无机或有机化合物粘合在一起。这些通常用于高强度紧固件,其中由于镀锌而导致的氢脆可能是一个问题。这些涂层具有相对较好的覆盖率,可以提供良好的尺寸控制和出色的腐蚀保护。耐腐蚀性非常高,可提供长达 600 小时的盐雾寿命。

聚四氟乙烯涂料

聚四氟乙烯涂料;含氟聚合物和氟碳基聚合物具有多种强碳氟键,其特点是对溶剂、酸和碱具有很高的耐受性,这为该材料提供了许多关键性能优势。

里尔山PA 11涂料

Rilsan PA 11涂层可应用于所有类型的钢制紧固件。加工非常简单,包括将 Rilsan 薄膜沉积到紧固件的金属表面上。为了获得最佳性能,必须进行仔细的表面处理。在此预处理之后,可以涂上底漆以改善涂层对紧固件的附着力并最大限度地提高其防腐性能。Rilsan在水、废水和盐水中具有很高的耐腐蚀性,对碳氢化合物、溶剂、酸、盐和碱具有很高的耐化学性。机械镀锌和磷化也用于螺栓。磷化涂层具有较低的耐盐雾性和耐腐蚀性。

耐腐蚀可喷涂热塑性塑料 (CIST)

耐腐蚀可喷涂热塑性塑料(CIST)技术提供了一种新的螺栓系统腐蚀控制方法,可处理整个系统,而不是专注于任何特定部件。该系统的工作原理是通过封装阻隔涂层排除氧气和水等腐蚀因素。它还通过在系统的整个生命周期内缓慢释放腐蚀抑制油来提供主动腐蚀保护。喷涂CIST是一种零VOC(挥发性有机化合物)可重复使用的热塑性材料,可以喷涂到任何尺寸或形状的基材上。该系统采用专用的加热和泵送装置来熔化和喷涂材料,从而产生紧密贴合的材料涂层,该涂层可沿着每个轮廓封装基材。该系统的主要功能包括排除电解质(水)和氧气,以及抑制油的表面涂层。

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图3.受CIST保护的复杂结构。通过为封装内的每个表面提供油膜载体,CIST既可以防止新的腐蚀,又可以阻止现有的腐蚀。即使在生锈的表面上,也几乎不需要表面处理。只需要去除松散的材料,例如剥落的锈蚀和油漆。

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图4.CIST系统的主要功能。

北海现场测试

自2003年以来,CIST已在北海成功应用于保护过早生锈的螺栓。在使用PTFE涂层,镀锌,低合金螺栓的系统中,预计会持续多年,从而经历了严重的腐蚀。螺栓更换是唯一明显的补救措施。意识到这将既具有破坏性又昂贵,运营商寻求替代方案。之所以选择CIST是因为它能够以最少的干预和表面处理要求阻止和防止腐蚀。

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图5.混合金属基材,在北海暴露七年后去除了CIST基材。实施了常规的移除和检查计划,结果令人印象深刻,如图5所示,其中混合金属基材在暴露七年后没有腐蚀(与图1所示的类似基材相反)。七年的检查结果包括:

  • 没有证据表明先前腐蚀的基材封装后会出现新的腐蚀
  • 受保护基材中没有电偶效应或缝隙腐蚀的证据
  • 即使受到严重污染,仍保持涂层完整性
  • 七年后继续释放抑制油

这些操作员继续在整个平台上使用 CIST,并且自应用 CIST 以来无需更换任何腐蚀故障螺栓。

国家电网天然气码头现场测试

作为天然气运输管道的主要运营商,英国国家电网在推荐使用CIST之前需要CIST性能的证据。因此,在2005年,为长期测试目的完成了一系列申请。2006年、2007年、2009年完成了CIST的拆除和检查,五年后终于在2010年完成。五年的检查结果包括:

  • 在任何受CIST保护的基材上均未发现腐蚀迹象
  • 发现封装内的每个表面上都有抑制油
  • 尽管外表面被大气和工业沉积物弄脏,但涂层仍保持良好状态,基材上继续沉积油

经过测试,2011年在Bacton互连站点上完成了CIST的初步安装,CIST现已在英国各个站点的国家电网变电站上使用,为国家电网和其他公用事业公司保护气体绝缘开关设备。

实验室检测

已经完成了许多测试,以确定CIST涂层在各种条件下的令人满意的性能,包括紫外线,低温和点火测试。但是,就本文而言,重点是防腐蚀性能;因此,此处突出显示了两个测试。(有关测试的更多信息,请阅读SA Water从50年的涂料测试中吸取的经验教训。1. 盐水雨淋测试:低合金钢组件对盐水腐蚀影响的敏感性是有据可查的。在该测试中,碳钢管和法兰每周五天从 20% 盐水混合物中持续流动,在 86°F (30°C) 下长达六个月。

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图6.无涂层管道和涂层法兰之间的对比。法兰受 CIST 保护,但管道仍未受保护。六个月后,盐水和干燥的持续循环腐蚀了未受保护的管道。然而,在CIST系统下,基材仍然完全没有腐蚀。盐水洪水测试结果包括:

  • 不会有水通过上部密封件进入管道
  • 未受保护的管道发生腐蚀
  • CIST封装内无腐蚀
  • 涂层不受浸泡循环的影响

2. 热盐雾测试:一家考虑将CIST用于井口保护的国际公司,在热盐雾室中对一个小井口部分进行了残酷的盐雾测试。基材涂有CIST涂层,然后在测试件在腔室中进行3,000小时的测试之前,将涂层的大部分切掉。结果如图7所示,CIST下方有光亮的钢,其他任何地方都有锈迹。

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图7.CIST 3,000小时热盐雾测试。CIST的原始开发人员独立观察的测试显示,在热盐雾室中超过10,000小时后(近14个月)后,腐蚀为零。图8显示了测试后并排的控制样品和受保护螺栓。

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图8.CIST 10,000小时热盐雾测试。开发商的热盐雾测试结果包括:

  • 暴露的剖面区域显示出严重的生锈迹象
  • 受CIST保护的区域没有腐蚀迹象
  • 涂层的严重损坏不会影响保护相邻区域的能力
  • 腐蚀的螺母难以转动和移除;无法检查螺栓张力
  • 受保护的螺母可自由旋转;螺栓张力不受影响

传统上,将补救涂层应用于腐蚀的螺栓钢组件需要高水平的干预 - 拆卸,更换,爆破和涂层 - 预计腐蚀会相对较快地重新出现。有效的长期补救办法在保护基础设施和减少人员和环境风险方面发挥着重要作用。这项新技术的早期现场使用显示出解决其中一些挑战的希望。

  • 自2004年以来的测试和现场应用表明,CIST可以提供长期的电偶腐蚀和缝隙腐蚀保护。
  • CIST为现有和新建应用提供螺栓腐蚀控制,无需大规模干预。
  • CIST防腐蚀机制在复杂组件中提供整个系统以及单个组件保护。
  • CIST无毒,可重复使用且无浪费,有助于减少防腐蚀对环境的影响。

结论

在工业、海洋和近海环境中,随着设备生命周期的延长和安全准则的更严格应用,防腐蚀变得越来越重要。通过考虑从开始到应用的腐蚀,操作员将能够在螺栓系统中实现尽可能高的耐腐蚀性。

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