Odporność materiałów na korozję w solance – dobór obudów filtrów przemysłowych

Filtry procesowe wykorzystywane przy oczyszczaniu wód solankowych są narażone na szczególnie trudne warunki eksploatacyjne. Kluczowym aspektem zapewniającym ich trwałość i niezawodność jest właściwy dobór materiału obudowy, który musi sprostać agresywnemu środowisku zawierającemu chlorki. W artykule przedstawiamy, jak dobrać odpowiedni materiał konstrukcyjny w zależności od stężenia chlorków w filtrowanej solance.

Mechanizmy korozji w środowisku chlorkowym

Środowisko zawierające chlorki stanowi jedno z najbardziej wymagających wyzwań dla materiałów konstrukcyjnych. Chlorki przenikają przez warstwy pasywne stali, inicjując korozję wżerową i szczelinową, które szybko prowadzą do uszkodzenia elementów instalacji. Na intensywność procesów korozyjnych wpływają:

• Stężenie jonów chlorkowych (Cl⁻)
• Temperatura medium
• Wartość pH roztworu
• Obecność rozpuszczonego tlenu
• Obecność innych jonów (np. Fe³⁺, Cu²⁺)
• Prędkość przepływu medium

Interesującym zjawiskiem jest zależność korozyjności od stężenia chlorków, która nie jest liniowa. Początkowo korozyjność wzrasta wraz ze wzrostem stężenia, osiąga maksimum przy około 70-100 g/l NaCl, po czym zaczyna spadać przy bardzo wysokich stężeniach. Jest to związane głównie ze spadkiem rozpuszczalności tlenu w stężonych roztworach soli.

Materiały odporne na korozję w filtracji wody morskiej

Wody o niskim stężeniu chlorków (< 1000 mg/l)

Dla wód z niską zawartością chlorków (poniżej 1000 mg/l) odpowiednie materiały to:

• Stal nierdzewna 304 (1.4301) – ekonomiczne rozwiązanie dla niewymagających zastosowań
• Stal nierdzewna 316L (1.4404) – lepsza odporność dzięki dodatkowi molibdenu
• Polipropylen (PP) – dobra alternatywa dla mniej wymagających aplikacji
• PVDF – dla zastosowań wymagających wyższej odporności chemicznej

Wody o średnim stężeniu chlorków (1000-10 000 mg/l)

W przypadku średnich stężeń chlorków zalecane materiały to:

• Stal nierdzewna 316L (1.4404) – absolutne minimum dla tej klasy wód
• Stal duplex 2205 (1.4462) – znacznie lepsza odporność na korozję wżerową
• PVDF – sprawdzone tworzywo o wysokiej odporności
• PTFE – dla specjalnych zastosowań wymagających najwyższej odporności chemicznej

Wody o wysokim stężeniu chlorków (10 000-50 000 mg/l)

Przy wysokich stężeniach chlorków należy stosować:

• Stal superduplex 2507 (1.4410) – wysoka odporność na korozję wżerową
• Stal 904L (1.4539) – specjalny stop o podwyższonej zawartości niklu i molibdenu
• Stop Alloy 926 (1.4529) – wyższa odporność w porównaniu do 904L
• PTFE/PFA – najwyższa odporność wśród tworzyw sztucznych

Wody o bardzo wysokim stężeniu chlorków (> 50 000 mg/l)

Jakie filtry stosować w solance o wysokim zasoleniu? Dla ekstremalnie wysokich stężeń chlorków, często spotykanych w przemyśle wydobywczym, wymagane są materiały najwyższej jakości:

• Stopy niklu (Alloy C-276, Alloy 625) – wyjątkowa odporność korozyjna
• Tytan i jego stopy – praktycznie całkowita odporność na chlorki
• Cyrkon – dla najbardziej wymagających zastosowań

Więcej informacji o obudowach z tworzyw chemoodpornych znajdą Państwo tutaj.

Zestawienie odporności korozyjnej popularnych materiałów metalicznych

*PRE (Pitting Resistance Equivalent) – Równoważnik odporności na korozję wżerową, obliczany jako: PRE = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N

Szczególne przypadki i dodatkowe czynniki

Dobierając materiał na obudowę filtra, należy uwzględnić również:

Temperatura pracy

Wzrost temperatury dramatycznie obniża odporność korozyjną materiałów w środowisku chlorkowym. Dla przykładu:

Wartość pH

Kwaśne środowisko znacząco zwiększa agresywność chlorków. Dla wód o pH poniżej 6, należy wybierać materiały o klasę wyższej odporności.

Obecność innych zanieczyszczeń

Szczególną uwagę należy zwrócić na obecność:

• Siarkowodoru (H₂S) – powoduje korozję naprężeniową
• Dwutlenku węgla (CO₂) – obniża pH i zwiększa agresywność środowiska
• Jonów żelaza (Fe³⁺) – przyspieszają korozję wżerową

Optymalizacja kosztów przy doborze materiałów

Wybór materiału zawsze stanowi kompromis między kosztami a trwałością. Alternatywne rozwiązania to:

1. Wykładziny i powłoki ochronne – tańsza stal z wykładziną z odpornego materiału (PTFE, guma, ebonit)
2. Konstrukcje warstwowe – wewnętrzna warstwa z materiału odpornego, zewnętrzna ze stali konstrukcyjnej
3. Inhibitory korozji – stosowane w zamkniętych układach dla obniżenia agresywności medium
4. Ochrona katodowa – dla instalacji trudnych do konserwacji

Praktyczne wskazówki projektowe

1. Przewymiarowanie grubości ścianek – uwzględnienie naddatku korozyjnego
2. Unikanie szczelin konstrukcyjnych – eliminacja miejsc sprzyjających korozji szczelinowej
3. Prawidłowa obróbka powierzchni – polerowanie zwiększające odporność korozyjną
4. Minimalizacja naprężeń – unikanie korozji naprężeniowej
5. Kontrola parametrów spawania – dla zachowania własności antykorozyjnych spoin

Wykres zależności korozyjności/odporności stali od stężenia NaCl

Rodzaje korozji stali nierdzewnej – na co zwrócić uwagę przy projektowaniu filtrów przemysłowych?

Poniżej przedstawiamy najczęstsze rodzaje korozji stali nierdzewnej, istotne z punktu widzenia projektowania systemów filtracyjnych:

Korozja wżerowa (pitting corrosion)

Powstaje wskutek lokalnych uszkodzeń warstwy pasywnej, szczególnie pod wpływem jonów chlorkowych, obecnych m.in. w solance, wodzie morskiej, wybielaczu czy solach przemysłowych. Wżery tworzą głębokie, punktowe ubytki materiału, często trudne do zauważenia aż do momentu perforacji.

Czynniki sprzyjające:

• obecność chlorków,
• podwyższona temperatura,
• ograniczony dostęp tlenu.

Zalecenia:

• unikać długotrwałego kontaktu z agresywnymi chemikaliami,
• stosować stale odporne na wżery (np. 316L, duplex, super duplex, stopy niklowe, tytan).

Korozja szczelinowa (crevice corrosion)

Występuje w miejscach o ograniczonym dostępie powietrza – w szczelinach połączeń śrubowych, spoinach, uszczelkach. Brak dopływu tlenu uniemożliwia odbudowę warstwy pasywnej, co skutkuje lokalną korozją.

Zalecenia:

• unikać ciasnych szczelin,

• stosować elastyczne uszczelnienia,

• wybierać stale o podwyższonej odporności korozyjnej.

Korozja ogólna (general corrosion)

Choć stal nierdzewna zwykle nie koroduje równomiernie, przy obecności agresywnych kwasów (np. siarkowego, solnego) może dojść do jednolitego ataku na całej powierzchni materiału, szczególnie przy wyższych temperaturach.

Zalecenia:

• unikać kontaktu z agresywnymi kwasami lub stosować specjalistyczne stopy (C-276, Alloy 625).

Korozja galwaniczna (galvanic corrosion)

Powstaje, gdy dwa różne metale są połączone ze sobą w obecności elektrolitu (np. wody). Może prowadzić do przyspieszonej korozji jednego z metali.

Zalecenia:

• stosować separatory z materiałów izolacyjnych (np. tworzywa sztuczne, guma),

• unikać kontaktu stali nierdzewnej z metalami o niższym potencjale elektrochemicznym.

Pękanie korozyjne pod wpływem naprężeń (SCC)

Rzadka, ale groźna forma korozji, występująca pod wpływem naprężeń rozciągających, podwyższonej temperatury i obecności jonów chlorkowych. Typowo pojawia się w bojlerach, basenach i zbiornikach na gorącą wodę.

Odmiana:

• SSCC – związane z obecnością siarkowodoru (H₂S), np. w przemyśle naftowym i gazowym.

Zalecenia:

• stosowanie materiałów odpornych na SCC (duplex, tytan, stopy niklowe),

• kontrola naprężeń i temperatury pracy.

Korozja międzykrystaliczna (intergranular attack)

Pojawia się rzadko, ale może wystąpić w przypadku nadmiernej zawartości węgla w stali, co prowadzi do wytrącania węglika chromu w temperaturze 450–850°C, np. podczas spawania. Powoduje lokalną utratę odporności na korozję między ziarnami.

Zalecenia:

• stosowanie stali niskowęglowych (np. 304L, 316L),

• odpowiednie procedury spawania – równomierne nagrzewanie i szybkie chłodzenie.

Podsumowanie

Prawidłowy dobór materiału obudowy filtra dla wód solankowych wymaga kompleksowej analizy wielu czynników. Podstawowym parametrem jest stężenie chlorków, ale nie można pomijać wpływu temperatury, pH i innych zanieczyszczeń.

Dla instalacji o kluczowym znaczeniu zaleca się przeprowadzenie testów korozyjnych w rzeczywistych warunkach pracy lub konsultację z ekspertami w dziedzinie korozji. Inwestycja w odpowiedni materiał konstrukcyjny zawsze zwraca się w postaci dłuższej bezawaryjnej pracy filtrów i uniknięcia kosztownych przestojów.

Źródła

• Different kinds of corrosion on stainless steel