Выбор материалов для нефтяных и химических насосов и арматуры

Нефтяные и химические насосы и химическая арматура работают с жидкостями агрессивными и опасными т.е. отличными по своим химическим (PH, количеству хлоридов) и физическим свойствам (плотность, вязкость) от воды и других нейтральных жидкостей.
Материалы деталей проточной части химических насосов и арматуры выбираются в зависимости от химической активности и других свойств перекачиваемых жидкостей (температура, плотность, наличие механических примесей таких как песок, кег, зола, окалина, нефтяной шлам и др.)  Подобные насосы и арматура применяются в основном для металлургических, горно-обогатительных, химических и нефтехимических производств таких как:

• процессы нефтепереработки (насосы для сернокислотного алкилирования и др.);
• процессы производства минеральных удобрений (насосы для кислот, щелочей, рассолов и др.);
• добыча и переработка полезных ископаемых (насосы для подземного выщелачивания и др.).

В понятие “нефтяные и химические насосы” и “химическая арматура” собраны различные по конструкции насосы различных принципов действия:

Центробежные нефтяные насосы по API

насос конструкции OH2                                             насос конструкции BB3

Объемные нефтяные и химические насосы:

Объемные шестеренные нефтяные и химические насосы
Объемные винтовые нефтяные и химические насосы
Объемные кулачковые нефтяные и химические насосы
 Объемные мембранные нефтяные и химические насосы
Объемные поршневые нефтяные и химические насосы 

Материалы, из которых изготавливаются нефтяные и химические насосы и арматура, можно разделить на три общие группы:

Металлы и сплавы

Основными из всех металлических насосов являются литейные изделия из высококачественных сортов

• нелегированного стального литья
• низколегированного стального литья
• высоколегированного стального литья
• железокремниевых сплавов
• специальных сплавов с высокой износоустойчивостью
• специальных материалов для особых случаев применения.

(некоторые наиболее популярные стали для изготовления насосов и арматуры по стандарту DIN)
1.0619 \1.7357\ V5700\Siguss\1.4136S\RH–SX\RH–RS \1.4306S\ 1.4541 \ 1.4361 \1.4408 \1.4571\ 1.4463\ 1.4517\ 1.4529\ R3020\ 1.4539\ 1.4652S\ 2.4170 Ni95 \ 2.4686 C1\ 2.4610 C4 \ 2.4685 B1 \ 2.4602 C22\ 2.4858 In825\ 2.4856 In625\ 2.4816 In600\ 3.7031 Titan\ 3.7035 Titan\ 3.7032 TiPd\ 3.7235 TiPd\ 3.2371 Al–Leg \ Zr 204 Zirkonium

Синтетические материалы и полимеры

Наиболее популярные пластмассы для производства насосов и арматуры:

• РР – полипропилен стандартный материал из пластмассы для перекачивания кислот и щелочей при температурах от 0°С до 100°С.
• РЕ – высокомолекулярный полиэтилен изделия из синтетических материалов с высокой износоустойчивостью находят применение при перекачивании кислот и щелочей при температурах от -50°С до +80°С.
• PVDF – поливинилиденфторид изделия из синтетических материалов для более высоких требований к химической устойчивости и тепловой напряжённости перекачиваемых сред при температурах от -20°С до +130°С.
• PFA – перфлюоралкокси изделия из синтетических материалов, хорошо зарекомендовавшие себя в работе с особо агрессивными средами в сочетании с высокими тепловым напряжённостями при температурах до +190°С

Керамика и карбиды

Наиболее популярные виды керамики для производства насосов и арматуры:

• ФРИКОРУНД – FRIKORUND^® -изделия из керамической глины с отличной коррозионной стойкостью, Особое значение имеют их хорошая химическая устойчивость и высокая износостойкость при одновременном воздействии экстремальных коррозионных и абразивных нагрузок.

• ФРИКОТЕРМ Б – FRIKOTHERM В^® – новое изделие из керамики наряду со своей хорошей химической устойчивостью и высокой износостойкостью, насос отличается небольшим коэффициентом расширения при нагревании, что делает его нечувствительным к тепловому шоку до 180°С.

• SILIZIUMCARBID (карбид кремния) – является наилучшим материалом для перекачивания высокоагрессивных и одновременно чрезвычайно абразивных сред. Наглядным примером может служить использование насосов из этого материала для перекачки кислотных коксовых пульп, суспензий окислов титана, кислотосодержащих шламов в фильтрах, а также для добычи никеля с высоким содержанием хлорида никеля и меди, соляной кислоты и других агрессивных сред при температурах превышающих +100°С.

Основные параметры, которые определяют выбор материала для оборудования это твердость и химическая стойкость.

Твердость материалов, как правило, определяются следующими существующими методами:

• метод измерения твердости по Бринеллю (регламентирован ГОСТ 9012).

При определении твердости этим методом стальной шарик определенного диаметра D вдавливают в тестируемый образец под действием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени. После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю обозначается буквами НВ, и его определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка F.

Для удобства имеются таблицы чисел твердости по Бринеллю и зависимости от диаметра шарика D, диаметра отпечатка d и нагрузки Р.

• метод измерения твердости по Роквеллу (регламентирован ГОСТ 9013).

При определении твердости этим методом тестируемый образец (изделие) под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной P0 (обычно Р0 = 10 кгс) и общей Р – вдавливают индентор (алмазный конус или стальной шарик). При этом общая нагрузка равна сумме предварительной P0 и основной Р1 нагрузок.

После выдержки под приложенной общей нагрузкой Р в течение 3-5 с основную нагрузку Р1 снимают и измеряют глубину проникновения индентора в материал А под действием общей нагрузки Р затем снимают оставшуюся предварительную нагрузку P0.

• Метод измерения твердости по Виккерсу (регламентируется ГОСТ 2999).

Метод используют для определения твердости деталей и металлопродукции малой толщины, а также тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Твердость по Виккерсу измеряют путем вдавливания в образец (изделие) алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды под действием нагрузки Р в течение времени выдержки T. После снятия нагруби измеряют диагонали оставшегося на поверхности материала отпечатка –d1, d2 и вычисляют их среднее арифметическое значение — d, мм.

• метод измерения твердости по Моосу

Шкала Мооса (минералогическая шкала твёрдости) — набор эталонных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания.

Значения шкалы от 1 до 10 соответствуют 10 достаточно распространённым минералам от талька до алмаза. Твёрдость минерала измеряется путём поиска самого твёрдого эталонного минерала, который он может поцарапать; и/или самого мягкого эталонного минерала, который царапает данный минерал.

Предназначена для грубой сравнительной оценки твёрдости материалов по системе мягче-твёрже. Испытываемый материал либо царапает эталон и его твёрдость по шкале Мооса выше, либо царапается эталоном и его твёрдость ниже эталона. Таким образом, шкала Мооса информирует только об относительной твёрдости минералов.

На рисунке представлены значения твердости некоторых из материалов в соответствии с разными методами определения твердости.

Процедура выбора материалов для насоса – сложный и творческий процесс, при котором необходимо учитывать и применять следующее:

1. рекомендации по подбору из существующих справочников и норм;
2. отраслевые нормы (например международный стандарт API 610 (для центробежных насосов с торцевыми уплотнениями), API 685 (центробежные герметичные насосы), API 676 (объемные насосы)

Ниже приведены требования к материалам стандарта API 610

Расшифровка материалов к таблице

Ауст-й чугун: ASTM A436, Тип 1, 2 или 3, UNS F41000, F41002 и F41004 соответственно (аустенитный чугун)-, ASTM A439, Тип D2, UNS F43000 (аустенитное ковкое железо).
12 % хр-стая сталь: сталь типа 1.4313 / 1.4317 /(X 3 Cr NiMo 13-4-1).
AISI 4140: сталь типа 1.7225 (G 4105, Cl SCM 440).
AUS: Аустенитные нержавеющие стали типов 683-13-10/19 по ISO (Типов 302, 303, 304, 316, 321, и 347 по стандарту AISI).
Duplex: Дуплексная сталь типа 1.4517 (GX2 CrNiMoCuN-25-6-3-3 ) и другие варианты.
Superduplex: супердуплексная сталь типа 1.4501(X2CrNiMoCu-WN 25-7-4) и другие варианты.
316 AUS: Аустенитные нержавеющие стали типов 683-13-10/19 по ISO (Типов 302, 303, 304, 316, 321, и 347 по стандарту AISI).
12% CHR – нержавеющая сталь с 12% содержанием хрома типа 1.4313 / 1.4317. Российский аналог – сталь 20Х13.
AISI 4140 – сталь типа 1.7225. Российский аналог – сталь 40ХФА, 38ХМА.
AUS, 316AUS – нержавеющие аустенитные стали. Соответствие аустенитных марок сталей:

Дуплекс, супердуплекс – двухфазная (аустенитно-ферритная) нержавеющая сталь типа 1.4507 (X 2 CrNiMoCuN 25 6 3), 1.4501(X 2 CrNiMoCuWN 25 7 4) и другие варианты.
Нирезист (Ni–Resist) – коррозионно-стойкий сплав с высоким содержанием никеля (13.5 – 40%). Применяется для кислотных, щелочных сред и растворов солей.
Нитрилбутадиен – синтетический маслостойкий эластомер.
PTFE – фторопласт.

3. российские локальные нормы, разработанные на основе международного стандарта (ГОСТ 31839-2012 (EN 809:1998) Насосы и агрегаты насосные для перекачки жидкостей. Общие требования безопасности, ГОСТ 32601-2013 (ISO 13709:2009) Насосы центробежные для нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. Общие технические требования – аналог API 610)

Выдержка из требований к материалам ГОСТ 32601-2013 (ISO 13709:2009) Насосы центробежные для нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. Общие технические требования:

Ниже приведены требования к материалам стандарта ГОСТ 31839-2012:

“5.7.6 Для перекачивания взрывоопасных и пожароопасных жидкостей и сжиженных газов не допускается применение насосов с проточной частью, изготовленной из чугунов с пластинчатым графитом, за исключением погружных насосов, детали которых находятся в перекачиваемой жидкости.

В исключительных случаях допускается применение насосов с проточной частью, изготовленной из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Корпусные детали проточной части насосов для перекачивания легковоспламеняющихся жидкостей или горючих жидкостей, нагретых до температуры, превышающей температуру вспышки, должны быть стальными.

Для справки:

Температурой вспышки называется температура, при которой выделяемые при нагреве пары мазута приобретают способность вспыхнуть при поднесении к ним пламени. Температура вспышки мазутов колеблется от 80 до 112° С. ”

Существуют раздельные госты для центробежных и объемных насосов в Росии

4.экспериментально-лабораторный подход: пробы материалов, из которых изготовлен насос, после предварительного взвешивания, помещаются в перекачиваемую жидкость с соблюдением условий, при которых будет работать насос (давление, температура и т.д.). После этого происходит контрольное взвешивание и определяется подвергся ли материал каким-либо изменения (истончение, коррозия и т.д.). Наша компания может предоставлять как образцы для клиента, так и самостоятельно производить испытания в лаборатории завода-изготовителя.

Важно знать, что процесс подбора материала для нефтяных и химических насосов и арматуры происходит только в тесном контакте с клиентом, т.к. только клиент владеет информацией о перекачиваемой жидкости в полной мере и может рассказать о возможных влияниях жидкости на материал. Без сведений от заказчика насос может быть изготовлен из излишне стойкого или излишне прочного материала, что существенно увеличит стоимость оборудования. Представители компании ООО «ПромХимТех» готовы выезжать на объект и помогать подобрать материл, чтобы избежать изготовления излишне дорогого насоса.

Зачастую причины разрушения насосов из сталей и металлов связаны как с химическим воздействием, так и с абразивным(механическим) разрушением. Чем выше скорость жидкости в улитке насоса, тем выше скорость разрушения проточной части насоса. Особенно это заметно на такой детали насоса как импеллер (рабочее колесо насоса).
При  расчетах  затрат приходиться искать баланс между ценой насоса и сроком службы насосов.
Классически, в промышленности СССР применялись насосы из нержавеющих сталей и сплавов, что было достаточно дорого и не всегда применимо.
Появление новых комбинированных материалов позволяет сокращать расходы, повышать надежность и экономить деньги на дальнейшем ремонт насосов. Насосы из металла гуммированные (покрытые каучуком, резиной) позволяют повысить абразивную стойкость насоса, насосы из керамики  или  с покрытием керамикой  обладают стойкостью к химическому, абразивному и температурному воздействию, насосы из пластика или футерованные тефлоном, фторопластом имеют высокую химическую стойкость при низкой цене, что может быть выгодным аналогом дорогим сплавам типа хастелой, монель, никонель и т.п.

Помимо выбора материалов необходимо выбрать правильную конструкцию рабочего колеса: открытое, полуоткрытое, закрытое, т.к. при неправильном выборе конструкции колеса и/или насоса, даже при верном подборе материала, насос будет разрушен.

(Слева-направо)

1. Абразивный + коррозийный износ насоса при перекачивании серной кислоты и оксида титана

2. Износ рабочего колеса из пластика при перекачивании жидкости с 50% содержанием CaCO3

3. Абразивный износ рабочего колеса при перекачивании жидкости с 30% содержанием пульпы (3 года работы)

4. Абразивный износ рабочего колеса при перекачивании жидкости с 2-4% угля (1,5 года работы)

Иногда, исходя из типа жидкости, заказчику рекомендуется выбрать объемный тихоходный насос вместо центробежного насоса, работающего на высокой скорости. Это обусловлено тем, что при работе с абразивными жидкостями, тихоходный насос прослужит дольше, т.к. скорость износа от механических частиц увеличивается в разы.

Видео ниже иллюстрирует работу тихоходного объемного насоса: