Шаровой кран с верхней крышкой из титана

Краткие характеристики

Почему шаровые краны из титана выигрывают там, где нержавеющая сталь корродирует, а сталь ржавеет

Коррозионная стойкость титана обусловлена чем-то обманчиво простым: оксидной плёнкой толщиной 10 нанометров, которая самопроизвольно образуется в любой среде, содержащей кислород. Эта плёнка мгновенно восстанавливается при повреждении. Поцарапайте седло шарового крана из титана — поверхность репассивируется в течение миллисекунд. Поцарапайте седло из нержавеющей стали в том же потоке, богатом хлоридами, и царапина превратится в питтинг в течение нескольких часов.

Именно поэтому шаровые краны из титана доминируют в системах с влажным хлором. Производства хлора, производства отбеливателей, линии гипохлорита натрия — эти среды превышают порог питтинговой коррозии 316L в первый же день. Титан марки Grade 2 служит десятилетиями. Оксидный слой стабилен в окислительных хлоридных условиях, которые разрушают любой другой распространённый конструкционный металл.

На опреснительных установках ситуация аналогична, но экономика смещается. Высокопроизводительная нержавеющая сталь (254SMO, 904L) может справиться с морской водой — но титан даёт преимущество в весе, которое имеет значение на морских платформах, где каждый килограмм запорной арматуры влияет на несущую способность конструкций. Шаровой кран из титана Grade 2 диаметром 6" весит примерно вдвое меньше эквивалента из 254SMO. На плавучей производственной системе эта экономия накапливается на сотнях клапанов.

Grade 7 (Ti + палладий) — секретное оружие для сред с восстановительными кислотами, где даже Grade 2 испытывает трудности. Добавление 0,2% палладия смещает коррозионный потенциал, позволяя оксидной плёнке сохранять стабильность в восстановительных условиях. Он стоит дороже, чем Grade 2 — но в смешанных окислительно-восстановительных кислотных потоках он предотвращает щелевую коррозию, которую стандартный титан развивает в застойных зонах.

Недостатки, заставляющие инженеров сомневаться в титане

Заедание (galling). Титан по титану на скользящих поверхностях катастрофически заедает. Сёдла шаровых кранов, где и шар, и седло выполнены из титана, заклинят под нагрузкой, если не решить эту проблему. Отраслевое решение: твёрдое покрытие шара (оксид хрома или наплавка из карбида вольфрама) или использование разнородного материала седла (PTFE или армированный PEEK). Если ваш поставщик предлагает «полностью титановый» шаровой кран без указания обработки поверхности уплотнительных поверхностей, задайте вопросы перед заказом.

Уязвимость к фторидам. Оксидная плёнка титана растворяется в средах, содержащих фториды. Плавиковая кислота — очевидно, но есть и менее очевидные источники: следы фторидов в охлаждающей воде (некоторые муниципальные системы содержат 1–3 ppm), фториды в некоторых потоках переработки фосфатов. Если фториды присутствуют в сколько-нибудь значимой концентрации, титан корродирует. Hastelloy C276 справляется с фторидами; титан — нет. Это бинарное различие — средней позиции не существует.

Водородное охрупчивание при повышенных температурах. Выше 300°C в восстановительных средах титан поглощает водород, что вызывает охрупчивание. В обычной морской воде и окислительных кислотных средах это не является проблемой, но в горячих восстановительных газовых потоках (водородсодержащие службы на НПЗ, синтез-газ) это реальный механизм разрушения.

Стоимость и доступность. Титан Grade 2 недёшев — примерно в 3–4 раза дороже нержавеющей стали как сырьевой материал. Литые титановые корпуса клапанов имеют ограниченные варианты поставщиков по всему миру; большинство титановых клапанов — кованые. Сроки поставки кованых титановых шаровых кранов нестандартных размеров составляют 12–16 недель.

Гальваническая благородность. Титан находится на благородном конце гальванического ряда. Соедините его со стальными, медными или алюминиевыми фланцами без изоляции, и эти менее благородные металлы будут агрессивно корродировать в месте соединения. Каждое соединение титан-сталь требует полного изоляционного комплекта, иначе вы создаёте локальную коррозионную ячейку, которая атакует трубопровод, а не клапан.

Как специфицировать титановые шаровые краны без неприятных сюрпризов

Для морской воды на шельфе: Grade 2, седло PTFE, Class 300, размеры 2"–10". Шар с твёрдым покрытием (наплавка Cr2O3). Изоляционные комплекты на каждом стальном фланцевом соединении. Это проверенная формула.

Для влажного хлора / производства отбеливателей: Grade 2, металлическое седло с покрытием из карбида вольфрама на шаре, армированное седло PTFE. Хлорная среда не атакует PTFE при нормальных температурах производства отбеливателей, а покрытый шар устраняет риск заедания.

Для смешанных кислотных сред с восстановительными условиями: Grade 7 (с добавлением палладия). Стоимость палладия добавляет примерно 30% к цене клапана, но это единственный способ предотвратить щелевую коррозию в застойных кислотных зонах. Не пытайтесь сэкономить, используя Grade 2 здесь — вы замените клапан через 18 месяцев.

A: Grade 2 справляется с разбавленной серной кислотой (ниже 5% концентрации) при умеренных температурах. Концентрированная серная кислота атакует титан. Grade 7 несколько расширяет диапазон, но всё ещё не является правильным выбором для концентрированной серной кислоты. Для такой службы используйте Hastelloy B2 или C276.

A: Grade 5 даёт примерно 2-кратное превышение по пределу прочности на разрыв по сравнению с Grade 2 — полезно для высоконапорной службы Class 600+ или там, где ожидается механический удар. Но Grade 5 имеет несколько более низкую коррозионную стойкость, чем Grade 2, в некоторых средах, поскольку добавки алюминия и ванадия изменяют поведение оксидной плёнки. Большинство спецификаций, ориентированных на коррозию, остаются с Grade 2.

A: Интерфейс шар-седло требует обработки поверхности, описанной выше, а не смазки. Стандартные консистентные смазки плохо прилипают к оксидным поверхностям титана. Если ваш поставщик рекомендует «регулярную смазку» для титанового шарового крана, он компенсирует недостаточную инженерию поверхности.

A: Да, согласно ASTM B367 (эквивалент Grade C-2). Литые титановые клапаны существуют, но редко встречаются — большинство производителей куют титановые корпуса клапанов, поскольку литьё титана требует вакуумной индукционной плавки, а уровень брака выше. Если вы нашли литой титановый клапан, проверьте послужной список поставщика по качеству литья перед закупкой.