ZERON®100 in maritieme omgeving

 
ZERON 100 heeft een structuur van zowel austeniet als ferriet met een nominale 50/50 fasebalans. De compositie van de legering is weergegeven in tabel?1 en wordt vergeleken met een aantal gangbare roestvast staal legeringen. De elementen chroom, molybdeen en stikstof geven alle weerstand aan gelokaliseerde aanvallen in chloorhoudende oplossingen. Deze worden vaak gecombineerd als weerstand tegen putcorrosie. De kwaliteit om putcorrosie tegen te gaan wordt uitgedrukt in een zogeheten PREN (pitting resistance equivalent number). Hieronder ziet u de PREN-index verklaard:
 

PREN= %Cr+ 3.3x%Mo+ 16x% N.

U kunt zien dat ZERON® 100 een hogere PREN heeft dan de meeste legeringen uit tabel 1 en het is de enige legering met een gegarandeerd minimale PREN. De PREN van 6%Mo austeniet valt net iets hoger uit dan die van ZERON® 100, echter wijst het ook uit dat hoog gelegeerde austeniet legeringen een PREN van 2 a 3 punten hoger moeten scoren dan duplex roestvast staal om een vergelijkbare weerstand te bieden tegen spleetcorrosie. De mechanische eigenschappen van ZERON® 100 vergeleken met doorgaans gebruikte legeringen worden weergegeven in tabel 2. Het is duidelijk zichtbaar dat ZERON® 100 significant sterker is dan andere legeringen. Zelfs sterker dan de 22%Cr duplex legering. Deze kracht biedt een hogere weerstand tegen vermoeidheid voor roterende en cyclisch geladen apparatuur, plus een hogere corrosie weerstand in zeewater waarin zand zit. Als met deze kracht rekening wordt gehouden tijdens de ontwerpfase, dan liggen er kansen op een substantiële kostenbesparing, niet alleen door de gereduceerde dikte van wanden, maar ook door consequente besparing op fabricage tijd en kosten. Het prijsvoordeel van superduplex roestvaststaal vergeleken met austenitische en op nikkel gebaseerde legeringen, loopt verder op door de lage nikkelwaarde en andere strategische elementen. Gecodeerde zaken voor ZERON® 100 zijn behandeld door relevante autoriteiten voor PD5500 and ASME VIII divisie 1 voor schepen en ASME B31.3 voor pijpen. Het goedgekeurde ontwerp voor spanningen op kamertemperatuur worden weergegeven in tabel 3. Er is goed af te lezen dat ZERON® 100 de hoogst ontworpen spanning biedt. Bij schepen wordt PD5500 geprefereerd voor het ontwerpen omdat er een groot potentieel is voor het besparen op wanddikte. Applicaties voor lage tempraturen worden bepaald door het bereiken van een goed krachtniveau op de minimale ontwerp temperatuur. Het gebruik voor langere periodes boven 300oC kan broosheid tot gevolg hebben, dit moet dus worden vermeden. ZERON® 100 is al gelast met alle gebruikelijke booglas-methode. Het wordt meestal gelast met ZERON 100X accessoires, welke 2% tot 2,5% extra nikkelhoudend zijn, zodat er voor gezorgd wordt dat de correcte fasebalans van het gelaste metaal in de niet-nabehandelde conditie. Zoals bij alle hoog gelegeerde roestvrij stalen, heeft het gebruik van ZERON® 100 een lasser nodig met veel ervaring op het gebied van het fabriceren van roestvast staal, die werkt volgens goedgekeurde en gekwalificeerde procedures. Fabricage wordt meestal ingezet in een niet-nabehandelde conditie, omdat spanningsverlaging en warmtebehandeling niet nodig is, en zelfs een nadelig effect kan hebben op de eigenschappen.

 

Tabel 1. De compositie van enkele gangbare roestvast stalen.
 

Tabel 2. Minimum mechanische eigenschappen op kamertemperatuur van enkele gangbare roestvast stalen.
 

Tabel 3. Ontwerpspanningen voor enkele gangbare roestvast stalen op kamertemperatuur.
 

Figuur 1. CC- en CP-temperaturen van het ZERON 100 uitgangsmateriaal en de lassen daarvan in zeewater.

2. Corrosie weerstand in zeewater
 

In zeewater, kan het Elektrochemische potentieel van roestvast staal variëren afhankelijk van de omstandigheden. In natuurlijk zeewater formeert zich een dunne bio-laag op het oppervlak in een tijdbestek van 2 dagen tot 2 weken. Deze bio-laag heeft een verhogend potentieel effect naar +300mV SCE. Wanneer er chloor of hypochloriet wordt toegevoegd aan het zeewater om de vuilaangroei te controleren, heeft de concentratie een typische waarde 0.5 tot 1.0 mg/L en het potentieel wordt hiermee verhoogd tot ongeveer +600 mV SCE. In een fabriek voor omgekeerde osmose wordt het zeewater uiteindelijk gefilterd en vaak ook chemisch behandeld. Dit resulteert in een potentieel van +200mV SCE. Het hoofdzakelijke risico in zeewater is putcorrosie op de lasnaad en spleetcorrosie van het moedermetaal. Figuur 1 toont de kritieke putcorrosie (CPT) temperatuur voor ZERON® 100 lasnaden en de kritische temperatuur voor spleetcorrosie (CCT) voor ZERON® 100 op de verschillende potentiëlen. De CCT van 904L en 22%Cr duplex roestvast staal worden ook weergegeven als vergelijkingsmodel. Het is af te lezen dat, in niet-nabehandelde conditie de putcorrosie gevoeligheid van de lasnaden de limiet stelt. Deze gegevens zijn verkregen na het laboratoriaal testen. De laboratorische testwaarde zijn uiteindelijk verminderd om een altijd gegarandeerde een probleem vrije operatie te kunnen garanderen. Wanneer de chloorconcentratie verhoogd wordt naar een waarde boven de 0.7mg/L, wordt het risico op lokale corrosie groter. Rolled Alloys heeft een functie gecompileerd waarin de maximale temperatuur gerelateerd wordt aan de chloorconcentratie. Deze functie is complementair aan de testen in de laboratoria en aan de ervaring met reeds geleverde service. (tabel 4.) Chloor dosering met tussenpozen is minder agressief dan een continue dosering en chloorconcentraties van 5 tot 10mg/L zijn reeds gebruikt zonder verhoogt risico op lokale corrosie. Er zijn zelf al chloorconcentraties met een dosering tot 25mg/L gebruikt voor een half uur per dag zonder enkel verhoogt risico. ZERON® 100 is al sinds 1986 in gebruik als gietstuk in zeewaterpompen en als smeedijzer in pijpen sinds 1990. De legering heeft goed dienst gedaan in applicaties als: pompen, flenzen, pijpleidingen bluswatersystemen en warmtewisselaars van de Noordzee tot aan de Arabische Golf. Er hebben zich nauwelijks problemen voorgedaan in die tijd. En wanneer dit wel het geval was kwam dit door het overschrijden van de chloor/tempratuur limieten (tabel 4).

 

Tabel 4. Aanbevolen veilige werktemperaturen voor ZERON 100 bij verschillende chloorconcentraties.
 

Figuur 2. CP-temperatuur van ZERON 100 lassen, net gelast en na behandeling met een bijtmiddel, in zeewater, in vergelijking met de CC-temperatuur van het uitgangsmateriaal.
 

3. De gebruikslimiet verhogen
 

Er zijn applicaties waarbij de temperatuur van het zeewater hoger reikt dan 40oC. Er zijn dan ook methoden ontwikkeld waarbij de operationele limieten van ZERON® 100 lasnaden zijn verhoogt. Dit om een verandering naar duurder materiaal te voorkomen. Het feit dat het beitsen van roestvast stalen lasnaden de weerstand tegen corrosie3 verhoogt is goed gearchiveerd. Francis en Warburton4 hebben laten zien dat de CPT van ZERON® 100 met 100c tot 150c kunnen worden verhoogt wanneer er een beitsbad van wordt gebruikt of bij gebruik van bijvoorbeeld beitsende gels of pasta's. In figuur 2 wordt de CPT voor ZERON® 100 lasnaden in zowel on-nabehandelde condities als in gebeitste condities laten zien. Het is duidelijk af te lezen dat de gebeitste lasnaden een putcorrosie hebben die bijna overeenkomt met de spleetcorrosie van het moedermetaal. Het is relatief eenvoudig om grote pijpen te beitsen in grote baden en beitspasta te gebruiken op lasnaden van grote schepen. Echter wanneer er een configuratie is waarin beitsen niet mogelijk is omdat de diameter van de pijpen te klein is om dit op locatie te verwezenlijken. Is het handig om rustig met het proces van start te gaan. Dit om een verhoogt de veilige werk temperatuur. Een typische rustige start gaat als volgt:
 

• 1. het start in koud, natuurlijk zeewater voor 48uur;
• 2. opereren met koud chloorhoudend zeewater voor 5 dagen (minimaal);
• 3. en dan pas de warmtewisselaars inschakelen. Dit creëert een grote beschermde laag, zonder dat het extra arbeidintensief is.

4. Ervaring met de dienst
 

Figuur 3 laat rubberen stootranden zien met door ZERON® 100 bevestigingsmiddelen op hun plaats worden gehouden in een scheepdok in het Midden-Oosten. Een bevestigingsmiddel creëert een nauwe spleet onder de moer en hem zeewater in deze regionen kan zomers temperaturen tussen de 35oC tot 40oC bereiken. De bevestigers zijn nu 4 jaar in gebruikt zonder een enkel probleem. De pijpen zijn dichtgelast op de traanplaten als weergegeven in figuur 4. De maximum temperatuur werd op 45oC verwacht, zodoende is alles gebeitst. De Eenheid is nu 5 jaar in gebruik, zonder corrosie op de lasnaden. Het Piper Bravo platform in de Noordzee heeft een ZERON® 100 zeewater koelsysteem geïnstalleerd. De initiële ontsnappingstemperatuur van zeewater door drie gaskoelers gekoeld was ~20oC dit werd enkele maanden volgehouden. Er werden meerdere gashaarden toegevoegd aan de stroom en de ontsnapping temperatuur steeg naar ~550c. De angst voor corrosie werd groter, maar na twee jaar was er geen lek. Zelf niet toen de ontsnappingstemperatuur verder werd opgevoerd naar 65oC. Het succes van deze toepassing is naar alle waarschijnlijkheid toe te wijden aan de rustige start en de beschermende laag die op 20oC is gecreëerd. De conclusie luidt, dat de ervaringen met ZERON® 100 in zeewater de laatste 20 jaar erg goed zijn geweest. Al heeft de legering zijn gebruiksgrenzen, deze kunnen worden verlegt en de ervaring leert wat er allemaal bereikt kan worden zonder het gebruik van duurdere materialen.
 

Figuur 3. ZERON 100 kettingen gebruikt om stootkussens op hun plek te houden in het Midden-Oosten.

Figuur 4. Warmtewisselaars voor gaskoelers na behandeling van de lasnaden in een bad met zeewater.