Blog

Dlaczego odporność na korozję jest decydującym kryterium dla śrub morskich ze stali nierdzewnej

Elektrochemiczne wyzwanie wynikające z ekspozycji na wodę morską

Zawartość soli w wodzie morskiej sprawia, że działa ona jak silny przewodnik, przyspieszając rozkład metali poprzez reakcje elektrochemiczne. Śruby ze stali nierdzewnej są stale narażone na uszkodzenia ich ochronnej powłoki, która stanowi cienką warstwę tlenku chromu, normalnie zapobiegającą rozprzestrzenianiu się rdzy po całej powierzchni. Problemy pojawiają się, gdy drobne rysy pozwalają jonom chlorkowym przedostać się przez tę warstwę, tworząc mikroskopijne ogniwa elektryczne na powierzchni śruby, które efektywnie zamieniają jej fragmenty w bieguny dodatnie w porównaniu z otaczającymi obszarami. Dane branżowe wskazują, że korozja zachodzi w środowisku wody morskiej około 3–5 razy szybciej niż w warunkach wody słodkiej. Oznacza to znaczną utratę masy metalu w miejscach szczególnie narażonych, takich jak gwinty śrub czy styk główki ze trzpieniem, prowadząc do zmniejszenia nośności nawet o ok. 15 procent rocznie w rejonach nadmorskich wystawionych na oddziaływanie pływów. Dla inżynierów pracujących z konstrukcjami morskimi, utrzymywanie integralności tych ochronnych warstw nie sprowadza się jedynie do wyboru lepszych materiałów – ma bezpośredni wpływ na to, czy całe systemy zachowają swoje wiązanie pod obciążeniem.

Jak chlorki wywołują korozję punktową i szczelinową w śrubach ze stali nierdzewnej

Jony chlorkowe inicjują lokalną korozję poprzez samoobsługujący się proces: gromadzą się na niedoskonałościach powierzchni, rozpuszczają tlenki chromu i generują kwaśne mikrośrodowiska, które dalszą degradują warstwę pasywną.

Szczeliny powstają w miejscach takich jak pod myjkami lub między nakrętkami i śrubami, gdzie środowisko staje się kwasowe i nasycone chlorkami, co prowadzi do samopodtrzymujących się reakcji korozji. Standardowe śruby ze stali nierdzewnej 316 znajdujące się w ciepłej morskiej wodzie mogą wykazywać ubytki rozwijające się z szybkością nawet 1 milimetra na rok. Raporty branżowe wskazują, że niemal połowa wszystkich uszkodzeń śrub morskich zaczyna się właśnie od tego rodzaju ukrytej korozji w punktach połączeń. Dodanie molibdenu do stopu pomaga w zwalczaniu tego problemu, ponieważ tworzy on ochronne związki molibdenianowe, które uniemożliwiają przenikanie chlorków i dłużej utrzymują integralność ochronnego powłoczenia metalu.

śruby ze stali nierdzewnej 304 vs 316: wydajność, ograniczenia i rzeczywista walidacja w warunkach morskich

Kluczowa rola molibdenu w stabilizowaniu warstwy pasywnej śrub ze stali nierdzewnej 316

To, co naprawdę odróżnia stal nierdzewną 304 od 316 w przypadku śrub, to obecność molibdenu. Oba typy zawierają około 18% chromu i od 8 do 10% niklu, ale jedynie 316 zawiera 2–3% molibdenu, co właśnie decyduje o różnicy. Gdy materiał ten jest narażony na działanie wody morskiej, molibden łączy się z cząsteczkami tlenu, tworząc nierozpuszczalne związki zwane molibdatami. Te małe formacje chemiczne w praktyce zatykają drobne rysy i niedoskonałości w ochronnej warstwie tlenku chromu na powierzchni metalu. Dzięki tej dodatkowej ochronie, śruby 316 wytrzymują około trzy razy większy wpływ korozji wywołanej chlorkami niż standardowe śruby 304, gdy są używane w pobliżu oceanu. Dla każdego, kto pracuje z urządzeniami mającymi stały kontakt z wodą morską, wybór gatunku 316 nie jest tylko lepszym rozwiązaniem — jest wręcz niezbędny, jeśli chcemy, by nasze elementy mocujące przetrwały kilka sezonów bez problemów z rdzą.

Dowody z terenu: śruby ze stali nierdzewnej 316L po 8 latach w warunkach pływowych (Port Rotterdam)

Badacze przeanalizowali, co się działo ze śrubami ze stali nierdzewnej umieszczonymi w strefie pływów w Porcie w Rotterdamie przez okres ośmiu lat. Elementy złączne typu 316L, charakteryzujące się niższą zawartością węgla w celu uniknięcia problemów podczas produkcji, wykazywały bardzo niewielkie uszkodzenia w postaci ubytków (głębokość mniejsza niż 0,1 mm), mimo ciągłego zanurzenia i ekspozycji na powietrze. Tymczasem pobliskie śruby 304 uległy silnemu korozji szczelinowej dokładnie w miejscach styku z podkładkami, tracąc ponad 0,8 mm materiału w obszarach poddanych wysokiemu naprężeniu. Po bliższej analizie stwierdzono objawy korozji międzykrystalicznej w próbkach 304, natomiast w żadnym przypadku nie zaobserwowano jej w próbkach 316L. Wyniki te są jednoznaczne: lepsza ochrona warstwy pasywnej w stali 316L zapewnia rzeczywiste korzyści w dłuższej perspektywie czasu, szczególnie gdy zmieniające się poziomy tlenu nasilają procesy korozji.

Gdy standard 316 nie wystarcza: Wysokowydajne śruby ze stali nierdzewnej do ekstremalnych zastosowań morskich

Śruby ze stali nierdzewnej superaustenitycznej (254 SMO, AL-6XN) i dwufazowej (2205, 2507) w elektrowniach odslaniaczy i infrastrukturze podmorskiej

W przypadku naprawdę surowych środowisk, takich jak instalacje do odżuwania wody morskiej, podwodne platformy naftowe lub gorąca tropikalna woda morska, poziom chlorków i temperatury często przekraczają możliwości standardowej stali nierdzewnej 316. W takich warunkach problemy takie jak korozja punktowa i pęknięcia spowodowane naprężeniami stają się poważnym zagrożeniem, chyba że przejdziemy na lepsze gatunki stopów. Weźmy na przykład superaustenityczne stale o wysokiej odporności. Materiały takie jak 254 SMO i AL-6XN zawierają od 6 do 7,5 procent molibdenu oraz azot, co nadaje im liczbę równoważnika odporności na korozję punktową (PREN) powyżej 40. Co to właściwie oznacza? Te materiały działają niezawodnie nawet przy stężeniach chlorków dochodzących do 100 000 części na milion i temperaturach powyżej 60 stopni Celsjusza. To trzykrotnie więcej niż może wytrzymać standardowa stal 316. Stale dwufazowe, takie jak 2205 i 2507, działają inaczej, łącząc struktury austenityczną i ferrytyczną. To połączenie czyni je silniejszymi i bardziej odpornymi na pęknięcia spowodowane naprężeniami w zastosowaniach podwodnych. Dobrym przykładem z życia wziętym jest Morze Północne, gdzie śruby ze stali 2507 pozostały nietknięte przez całe piętnaście lat w strefie chlaskowej. Standardowe elementy złączne ze stali 316 w tych samych warunkach zaczęły pokazywać objawy uszkodzeń już po pięciu latach z powodu stopniowego rozwoju korozji szczelinowej.

Wybieranie odpowiednich śrub ze stali nierdzewnej: Praktyczny ram podjęcia decyzji dla inżynierów morskich

Dla inżynierów morskich pracujących nad rzeczywistymi projektami przywiązywanie się do ogólnych materiałów już nie wystarcza. Muszą oni postępować zgodnie z właściwym procesem decyzyjnym opartym na rzeczywistych warunkach, a nie domysłach. Zacznijmy od określenia, jak surowe jest środowisko. Śruby ze stali nierdzewnej 316 sprawdzają się dobrze w miejscach narażonych wyłącznie na działanie powietrza, ale gdy staje się wilgotniej lub panują tam warunki pływowe, inżynierowie powinni rozważyć opcje duplex, takie jak 2205 lub 2507, ponieważ lepiej radzą sobie z chlorkami. Następnie trzeba sprawdzić, czy materiał wytrzyma naprężenia. Stopy duplex mają rzeczywiście około dwa razy większą wytrzymałość niż standardowe śruby 316, co robi ogromną różnicę w przypadku ciągłego ruchu i drgań, według badań ASM International z ubiegłego roku. I wreszcie, nikt nie chce wydawać pieniędzy z góry, nie wiedząc, ile zaoszczędzi później. Śruby nadawywnikowe, takie jak 254 SMO, mogą początkowo kosztować więcej, ale trwają o wiele dłużej w surowych środowiskach, jak te występujące w instalacjach odwróconej osmozy, że większość inwestycji kończy się oszczędnościami rzędu 60% na wymianach w przyszłości. Postępowanie zgodnie z tą trzystopniową metodą pomaga zagwarantować niezawodną pracę przez lata, utrzymuje niskie koszty konserwacji i zapobiega kosztownym awariom, których nikt nie chciałby rozwiązywać.