Trawienie i pasywacja jako końcowa obróbka powierzchni stopowych stali odpornych na korozję

18. 8. 2020

Stopowe stale odporne na korozję są coraz powszechniej stosowane wszędzie tam, gdzie konieczne lub korzystne jest zapewnienie właściwości antykorozyjnych bez użycia mechanicznych barier ochronnych, a jedynie poprzez zastosowanie odpowiednio dobranego materiału.

W związku z tym coraz częściej podnoszona jest kwestia odporności korozyjnej tych stali. Często dochodzi do powstania korozji w strefie wpływu ciepła (SWC) spoiny, ale także na powierzchniach pozornie nienaruszonych – w miejscach występowania nalotów, otarć materiałem węglowym, obcych wtrąceń w powierzchni oraz tam, gdzie na skutek obciążeń termicznych, chemicznych lub mechanicznych doszło do zmiany składu chemicznego bądź struktury wierzchniej warstwy materiału.

Zazwyczaj uszkodzoną lub niskiej jakości warstwą pasywną. Odporność stopowych stali nierdzewnych na występowanie korozji zapewnia mikroskopijnie cienka warstwa tlenków pierwiastków stopowych, tzw. warstwa pasywna. Ulega ona najczęściej naruszeniu:

• termicznie w obszarze spoiny i jej strefy wpływu ciepła lub na skutek innego obciążenia cieplnego
• mechanicznie poprzez otarcia, naloty oraz wprasowanie obcego materiału
• chemicznie

Jeśli warstwa pasywna zostanie w jakikolwiek sposób naruszona, konieczne jest zapewnienie warunków do powstania nowej, wysokiej jakości warstwy pasywnej. Niezbędnym warunkiem utworzenia bezbłędnej i skutecznej warstwy pasywnej jest metalicznie czysta powierzchnia pozbawiona zendry i barw nalotowych po spawaniu i obróbce cieplnej, wtrąceń, otarć i nalotów materiału węglowego oraz innych ciał obcych, zanieczyszczeń mechanicznych (w tym oznaczeń farbą), a także starej, uszkodzonej warstwy pasywnej.

W większości przypadków najodpowiedniejszą i najskuteczniejszą metodą jest czyszczenie chemiczne, tzw. trawienie.

Podczas obróbki mechanicznej nie dochodzi do idealnego oczyszczenia powierzchni. W trakcie szlifowania część zendry, barw nalotowych i materiału węglowego zostaje wprawdzie usunięta, ale jednocześnie dochodzi do „rozszlifowania” i roztarcia pozostałości po całej powierzchni. W rezultacie, nawet przy niewielkim wzroście wilgotności, może dojść do korozji. Szlifowanie tępym narzędziem, grubym ziarnem oraz przy dużej głębokości skrawania może prowadzić do powstania na powierzchni miejsc o silnym naprężeniu, które w środowisku o wyższej zawartości chlorków są podatne na korozję wżerową.

Z kolei podczas obróbki strumieniowo-ściernej (piaskowania/śrutowania) część ścierniwa pozostaje wbita w powierzchnię, przykrywając zanieczyszczenia i uszkodzoną warstwę pasywną, którą pierwotnie chcieliśmy usunąć. Ponownie więc nie uzyskujemy metalicznie czystej powierzchni, a dodatkowo proces ten wielokrotnie zwiększa powierzchnię właściwą materiału, co potęguje ryzyko wystąpienia korozji.

Dzięki ogromnej elastyczności, trawienie pozwala natomiast osiągnąć perfekcyjnie metalicznie czystą powierzchnię praktycznie na każdym wyrobie lub urządzeniu, przy zachowaniu korzystnych warunków cenowych. Kolejną zaletą tego procesu jest ujednolicenie wyglądu powierzchni po prawidłowo przeprowadzonym zabiegu.

Tworzenie się warstwy pasywnej na metalicznie czystej, wytrawionej powierzchni odbywa się na dwa sposoby:

1. W wyniku reakcji metalicznie czystej powierzchni z tlenem atmosferycznym warstwa pasywna powstaje w ciągu kilku dni (tzw. autopasywacja). Metoda ta jest wystarczająca dla standardowych zastosowań stopowych stali odpornych na korozję.
2. Poprzez zastosowanie środka pasywującego dochodzi do natychmiastowego wytworzenia warstwy pasywnej, która jest wielokrotnie grubsza i trwalsza niż w przypadku autopasywacji. Proces ten przeprowadza się dla specjalistycznych zastosowań stali w energetyce, przemyśle chemicznym itp. Procedura robocza przy użyciu roztworu pasywującego jest identyczna jak przy trawieniu natryskowym, ewentualnie zanurzeniowym (patrz dalej).

Trawienie – bez względu na sposób aplikacji środka trawiącego – musi przebiegać zgodnie z następującym schematem:

1. Odtłuszczenie powierzchni i usunięcie zanieczyszczeń mechanicznych.
2. Aplikacja środka trawiącego.
3. Oddziaływanie środka trawiącego (czas działania zależy przede wszystkim od gatunku stopowej stali odpornej na korozję, stopnia zanieczyszczenia powierzchni oraz użytego preparatu).
4. Płukanie wodą o ciśnieniu min. 12 MPa (ciśnienie jest kluczowe dla idealnego spłukania środka trawiącego i nieczystości, także z miejsc trudniej dostępnych). W przypadku trawienia małych i prostych detali możliwe jest – zamiast wody pod ciśnieniem – zastosowanie dokładnego oczyszczenia mechanicznego szmatką lub szczotką pod wodą.

Po trawieniu powierzchnia stopowej stali odpornej na korozję musi być metalicznie czysta, pozbawiona jakichkolwiek śladów zanieczyszczeń wszelkiego rodzaju (rdza, pozostałości materiału węglowego, obce wtrącenia, barwy nalotowe i zendra po spawaniu oraz obciążeniach termicznych, zanieczyszczenia mechaniczne). Efektem trawienia jest zmatowienie, a zarazem ujednolicenie wyglądu powierzchni.

Do najbardziej znanych i najczęściej stosowanych środków trawiących należą produkty marki ANTOX, które wyróżniają się wysoką jakością, skutecznością i wydajnością. Wyłącznym przedstawicielem tej marki jest nasza firma FK system - povrchové úpravy s.r.o.

Ze względu na sposób aplikacji środka trawiącego, proces ten można podzielić na trzy podstawowe metody:

• trawienie zanurzeniowe (w kąpieli)
• trawienie pastą
• trawienie natryskowe

Wszystkie trzy metody, pod warunkiem prawidłowego wykonania, są w zasadzie równoważne pod względem jakości, jednak trawienie w kąpieli jest zazwyczaj znacznie tańsze, a powierzchnia uzyskuje maksymalnie jednolity wygląd.

• Trawienie w kąpieli polega na zanurzeniu detali w wannie z roztworem trawiącym. Metodę tę stosuje się do elementów o różnej wielkości i kształcie; ograniczeniem są jedynie wymiary wanny i możliwości urządzeń transportowych, a czasem kształt samego detalu. Do trawienia zanurzeniowego stosuje się środek ANTOX 80 E.
• Podczas trawienia pastami środek nanosi się pędzlem. Jest to metoda odpowiednia do trawienia spoin spawalniczych i małych detali. Do tego sposobu przeznaczone są pasty trawiące ANTOX 71 E i ANTOX 71 E EXTRA, a do trawienia elementów polerowanych – ANTOX 3d.
• W przypadku trawienia natryskowego żel trawiący nanosi się na wyrób metodą natrysku, używając specjalistycznego urządzenia aplikacyjnego lub prostej butelki ze spryskiwaczem (patrz rys. 2). Metoda ta służy do trawienia dużych powierzchni. Do środka trawiącego można dodać kolorowy wskaźnik, który ułatwia odróżnienie powierzchni pokrytej preparatem od tej jeszcze nieopryskanej. Do trawienia natryskowego przeznaczone są żele ANTOX 73 E, ANTOX 73 E PLUS oraz ANTOX 73 E EXTRA.

Jako procedurę specjalistyczną można przeprowadzić trawienie wewnętrznych powierzchni rurociągów poprzez przepłukiwanie (cyrkulację) roztworem trawiącym, obejmujące odtłuszczanie oraz trawienie pod kątem czystości tlenowej i czystości wymaganej w przemyśle farmaceutycznym.

Środki trawiące są stopniowane według składu chemicznego: od najmniej skoncentrowanych (E) do trawienia niskostopowych stali chromowych, przez średnio skoncentrowane (E PLUS) do austenitycznych stali chromowo-niklowych, aż po silnie skoncentrowane środki (E EXTRA) do trawienia stali wysokostopowych.

Środki trawiące zawierają kwas azotowy ($HNO_3$) i fluorowodorowy ($HF$), dlatego klasyfikowane są jako substancje żrące i toksyczne. Pracownicy zobowiązani są do odbycia odpowiedniego szkolenia BHP. Niezbędne jest stosowanie specjalistycznych środków ochrony osobistej. W przypadku trawienia pastą wystarczające są: osłona twarzy, kombinezon gumowy oraz rękawice. Podczas trawienia natryskowego lub zanurzeniowego konieczne jest stosowanie maski ochronnej z filtrem przeciw oparom kwasów oraz pełnego kombinezonu gumowego.

Ścieki powstające po trawieniu i pasywacji mają odczyn kwaśny i zawierają metale rozpuszczone z materiału rodzimego. Z tego powodu muszą być one gromadzone i poddawane utylizacji zgodnie z wymogami ochrony środowiska.

Ostateczny rezultat trawienia zależy od określenia prawidłowej technologii i procedury roboczej, doświadczenia personelu, wysokiej jakości zaplecza technicznego, zastosowania odpowiedniego i skutecznego środka trawiącego oraz innych czynników. Równocześnie należy spełnić wymogi BHP. Konieczne jest przestrzeganie szeregu przepisów prawnych i norm ochrony środowiska. Z tych powodów trawienie i pasywację większych elementów metodą natryskową lub trawienie w kąpieli mogą wykonywać wyłącznie firmy dysponujące własną, zatwierdzoną i specjalistyczną trawiarnią. Firmom nieposiadającym własnego zaplecza do trawienia zalecamy wykonywanie jedynie trawienia mniejszych detali przy użyciu pasty lub żelu.

Trawienie większych elementów i urządzeń metodą natryskową oraz trawienie zanurzeniowe zapewnia nasza firma. Wanny trawiące znajdują się w Brnie, natomiast trawienie natryskowe wielkogabarytowych elementów możemy przeprowadzić bezpośrednio u klienta lub na placu montażowym (patrz rys. 3). Świadczymy również kompleksowe usługi doradztwa technicznego w zakresie trawienia i pasywacji. Prace realizujemy wraz z odbiorem i utylizacją ścieków. Posiadamy wszelkie uprawnienia i zezwolenia niezbędne do wykonywania usług u klienta.

Realizowaliśmy trawienie i pasywację dla najbardziej prestiżowych inwestycji w Republice Czeskiej i na Słowacji, w tym kompletne trawienie instalacji technologicznych i zbiorników w Elektrowniach Jądrowych Temelín, Dukovany i Mochovce.

Podsumowując, można stwierdzić, że wysokiej jakości trawienie i pasywacja – pod warunkiem właściwego doboru stopowej stali odpornej na korozję do danego celu – dają gwarancję funkcjonalności antykorozyjnej oraz jednolitego, metalicznie czystego wyglądu wyrobów.

Ing. Petr Kalný, FK system - povrchové úpravy, s.r.o.