Materiaalkeuze: roestvast staal als pompmateriaal

De keuze van het materiaal van een pomp is afhankelijk van een groot aantal factoren. Een van de factoren is de corrosiebestendigheid tegen de te verpompen vloeistof. De keuze van het materiaal alleen laten afhangen van de corrosiebestendigheid op zich brengt de nodige risico's met zich mee. Men dient zich altijd af te vragen of de gekozen constructievorm geen aanleiding zal geven tot de plaatselijk optredende corrosievormen. Deze corrosievormen zijn veel verradelijker en dikwijls de oorzaak van het voortijdig falen van een pomp. In het navolgende zal het begrip corrosie nader worden toegelicht waarna een aantal plaatselijke corrosievormen wordt opgesomd.


Ir. T.S. Tilkema - (artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 2, 1991- artikel 131)



Alhoewel er vele materialen zijn, ieder met zijn specifieke eigenschappen, zal in dit artikel vooral roestvast staal ter sprake komen. Op basis van de corrosiebestendigheid en praktijkervaring is een tabel samengesteld van een aantal combinaties van te verpompen vloeistoffen en toe te passen materialen. Ter illustratie wordt er een voorbeeld beschreven waarbij ondanks de in principe juiste materiaalkeuze corrosie optrad.

Corrosie

Corrosie kan in het algemeen worden gedefinieerd als de ongewenste aantasting van een materiaal tengevolge van chemische of elektrochemische reactie met de verpompte vloeistof. Uit deze definitie volgt onmiddellij k dat de bestrijding van corrosie er op gericht is de aantasting te beperken of te voorkomen. Dit kan onder andere door een juiste materiaalkeuze. In vele gevallen zou uit fabricage-of sterkteoverwegingen normaal ongelegeerd staal kunnen worden toegepast, maar tengevolge van te snelle aantasting van het staal door vloeistof is toepassing hiervan onmogelijk. Daar de meeste andere materialen duurder zijn dan ongelegeerd staal, heeft dit tot gevolg dat alle maatregelen d ie genomen moeten worden om corrosie tegen te gaan extra kosten met zich meebrengen. De corrosiebestendigheid van staal wordt bijvoorbeeld verkregen door een zeker percentage chroom aan het staa l toe te voegen. Het aan het staal toegevoegde chroom vormt aan het oppervlak een bestendige oxydehuid. Deze huid wordt bij beschadiging direct hersteld. Het staal is zogenaamd passief geworden. In het algemeen berust de corrosiebestendigheid van een materiaal op de vorming van een dergelijke huid die het materiaal tegen verdere aantasting beschermt.

Vormen van corrosie

Bij de algemene vorm van corrosie treedt een gelijkmatige aantasting van het gehele metaaloppervlak op. Dit is dus de vorm van corrosie die optreedt bij actieve metalen zoa ls ongelegeerd staal. Ook bij de passieve metalen treedt deze corrosie op, zij het extreem langzaam. Tengevolge van het gelijkmatige karakter van de corrosie en de meestal goed te bepalen corrosiesnelheid is voorspelling van de levensduur binnen redelijke nauwkeurigheidsgrenzen mogelijk. In tegenstelling tot het voorspelbaar gedrag van algemene corrosie zijn de zich plaatselijk manifesterende corrosievormen moeilijker voorspelbaar en daardoor verraderlijker. De plaatselijke corrosievormen zijn meestal de oorzaak van een voortijdig en onverwacht falen van een pomp. Enkele vormen van plaatselijke corrosie zijn:



Putcorrosie; een sterk gelokaliseerde putvormige aantasting die zich onder zeer verschillende omstandigheden kan manifesteren. Een voor de praktijk zeer belangrijk probleem is de putcorrosie van de roestvaste staalsoorten in ch loride bevattende vloeistoffen. De aantasting is plaatselijk en kenmerkt zich door het vormen van steile putwanden.


Spleetcorrosie; treedt op in nauwe spleten waar de toevoer van het oxyderend medium onvoldoende is, de beschermende oxydehuid langzaam oplost en niet wordt aangevuld. Een klassiek voorbeeld van deze vorm van corrosie is de met zeewater gesmeerde roestvast stalen as van een zeewaterpomp. Tijdens het bedrijf slijt het oxydelaagje ter plaatse van de lagers af en lost op. Door de continue verversing van het zeewater met de daarin aanwezige zuurstof wordt steeds een n ieuw laagje gevormd. Wordt de pomp echter enige tijd niet gebruikt, dan wordt de aanwezige zuurstof opgebruikt, waarna onder invloed van de chloorionen versne lde corrosie optreedt.


Spanningscorrosie; kan optreden als naast een corrosieve omgeving in het materiaal, als gevolg van restspanningen of uitwendig aangebrachte spanningen, trekspanningen aanwezig zijn. De metalen die gevoelig zijn voor spanningscorrosie zijn dat meestal slechts in één of een beperkt aantal karakteristieke milieus. Vooral austenitisch roestvast staal is gevoelig voor spanningscorrosie in chloride-ionen bevattende warme (boven 70°C) vloeistoffen.


Vermoeiingscorrosie; is een gevolg va n het optreden van een dynamische belasting onder corrosieve omstandigheden. Vooral bij het ontwerp van de pompas moet met deze vorm van corrosie rekening worden gehouden.


Erosie-corrosie; hieronder wordt verstaan de versnelde aantasting van metalen in snelstromende, corrosieve vloeistoffen. Door de stroming wordt steeds verse corrosieve vloeistof toegevoerd, terwijl de reactieprodukten afgevoerd kunnen worden. Dit wordt sterker naarmate de vloeistofsnelheid toeneemt en de vloeistof, vooral bij de gekromde oppervlakken, een grotere kracht op de wand uitoefent. Voor elk materiaal geldt derhalve een maximum vloeistofsnelheid tot waar het toegepast kan worden. Deze snelheid is afhankelijk van het medium en ligt lager naarmate de vloeistof corrosiever is.


Cavitatiecorrosie; indien in een pomp cavitatie optreedt dan kan dit cavitatiecorrosie tot gevolg hebben. Deze vorm van corrosie is evenals erosie-corrosie een samenspel tussen mechanische belasting en aantasting door corrosie. Ook in de gevallen dat de mechanische invloed het sterkst is, is de corrosie-invloed niet verwaarloosbaar. De wisselwerking is sterker naarmate de vloeistof agressiever is.


 

Materiaaikeuze voor een pomp

Bij de materiaalkeuze voor een pomp wordt in eerste instantie uitgegaan van de corrosiebestendigheid tegen de te verpompen vloeistof. De corrosiebestendigheid van een materiaal wordt door laboratoriumonderzoek vastgesteld. Dit aangevuld met praktijkervaringen, heeft geleid tot richtlijnen voor de keuze van het materiaal voor het verpompen van bepaalde vloeistoffen. Een dergelijke richtlijn is alleen in bepaalde combinaties van vloeistof en toe te passen materiaal geldig, tenzij anders vernield, voor een temperatuur van 10°C. Toepassing van andere dan in de tabel aangegeven materialen is niet uitgesloten, doch moet per geval worden bekeken. Voor niet in de tabel opgenomen vloeistoffen raadplege men bijvoorbeeld Dechema-Werkstoff Tabelle Chemische Beständigkeit der Werkstoffe.

Problemen rond de materiaalkeuze

Op grond van de tabel zou men kunnen concluderen dat de materiaalkeuze voor toepassing in een pomp een kwestie is van het raadplegen van de juiste tabel. Bij de materiaalkeuze dient echter behalve met de bestendigheid van het gekozen materiaal tegen de te verpompen vloeistof terdege rekening te worden gehouden met het mogelijk optreden van de reeds eerder genoemde plaatselijke vormen van corrosie. Bovendien moet met diverse nog niet eerder genoemde factoren rekening worden gehouden, zoals de eventuele aanwezigheid van vaste deeltjes in de vloeistof, de optredende vloeistofsnelheden, de snelheidsverdelingen in de pomp en de vloeistoftemperatuur. De laatste is een niet te verwaarlozen factor daar de corrosiesnelheid verdubbelt bij een temperatuurstijging van 10°C. Ook dient er rekening te worden gehouden met de mogelijkheid dat de eigenschappen van de vloeistof bij stilstand van de pomp kunnen veranderen. Om te voorkomen dat hierdoor corrosie  optreedt dient de pomp op gezette tijden in bedrijf te worden gesteld of te worden gespoeld met een daartoe geschikte vloeistof. Ondanks alle in de loop der jaren opgedane ervaring met betrekking tot de juiste materiaalkeuze blijkt het gekozen materiaal soms niet te voldoen. Ter illustratie hiervan het volgende voorbeeld waarbij corrosie optrad ondanks het in principe juist gekozen, dat wil zeggen tegen de vloeistof bestendige, materiaal: De bronzen waaier van een centrifugaalpomp die werd gebruikt voor het verpompen van condenswater met 70 mg/l ammoniumcarbonaat en een pH van 8,5 vertoonde boven een bepaalde diameter een sterke mate van corrosie. De gekozen bronssoort bleek niet meer corrosiebestendig te zijn bij de hogere stromingssnelheden, die optreden op de grotere diameters van de waaier. Deze vorm van corrosie heeft zich niet meer voorgedaan nadat de bronzen waaier was vervangen door een van roestvast staal.

Conclusie

Bij de materiaalkeuze voor een pomp kan in eerste instantie worden uitgegaan van de corrosiebestendigheid van het materiaal tegen de te verpompen vloeistof. Dat wil niet zegen dat er geen corrosie zal gaan optreden. Er zijn vele factoren die de corrosiebestendigheid nadelig beïnvloeden, zoals het plaatselijk optreden van hoge vloeistofsnelheden en de aanwezigheid van vaste deeltjes in de vloeistof. Ook kan de constructie zelf en de bedrijfsvoering van de pomp van invloed kan zijn. Gezien de vele factoren die de corrosiebestendigheid kunnen beïnvloeden is het kiezen van het juiste materiaal meestal niet eenvoudig. Het is dan ook raadzaam om bij onbekendheid op dit terrein advies in te winnen bij de fabrikant.