Hastelloy G-30 u isparivačima fosforne kiseline: Podaci o performansama cijevi izmjenjivača topline

Zašto je Hastelloy G-30 specificiran za cijevi isparivača fosforne kiseline?

Kemija G-30-a - s visokim udjelom kroma s umjerenim molibdenom i dodatkom bakra - namjerno je projektirana za rukovanje specifičnom kombinacijom kontaminanata koji se nalaze u fosfornoj kiselini mokrim postupkom, a Haynes International navodi cijevi za isparivanje P2O5 kao jednu od dvije glavne primjene te legure.

Izvor: Haynes International list s podacima o nominalnom sastavu, legura HASTELLOY G-30.

Visoki sadržaj kroma daje G-30 jaku otpornost na oksidirajući karakter mokro-procesne kiseline i na smjese dušične kiseline i dušične-kiseline, dok mu dodaci molibdena i bakra daju umjerenu otpornost na redukcijske kiseline kao što su klorovodična i sumporna - koje su obje prisutne kao nečistoće u komercijalnoj fosfornoj kiselini. Haynes International također napominje da je G-30 manje osjetljiv na pucanje uslijed korozije izazvano kloridima od austenitnih nehrđajućih čelika koje obično zamjenjuje u ovoj usluzi, što je izravno važno za snopove cijevi koji doživljavaju ponavljane toplinske cikluse tijekom pokretanja i gašenja isparivača.

Što fosfornu kiselinu mokrim-procesom čini tako korozivnom za cijevi isparivača?

Mokri{0}}proces fosforne kiseline nagriza prvenstveno zbog onoga što je otopljeno u njoj, a ne same fosforne kiseline: neizreagirana sumporna kiselina, metalni ioni, fluoridni ioni, kloridni ioni i suspendirane čestice kao što je silicij dioksid, svi se kreću zajedno s P2O5, a od njih su kloridni ioni dominantni pokretač elektrokemijskog napada koji određuje vijek trajanja cijevi.

Fosforna kiselina "mokrim -postupkom" nastaje reakcijom fosfatne stijene sa sumpornom kiselinom, a proizvedena sadrži samo oko 30% P2O5 zbog velike količine vode za ispiranje koja je potrebna da se odvoji od nusproizvoda kalcijevog sulfata. Fluoridni ioni teže stvaranju stabilnih kompleksa s metalnim ionima u otopini i stoga su manje agresivni prema materijalima cijevi od kloridnih iona, koji snažno utječu na elektrokemijske reakcije između kiseline i metalne površine. Zbog toga je izbor legure za cijevi isparivača više vođen otpornošću na -rupičastu i pukotinsku-koroziju klorida nego samo nominalnom jačinom fosforne kiseline kiseline.

Tijekom procesa isparavanja, koncentracija P2O5 obično se podiže od otprilike 30% do oko 54% kroz niz stupnjeva isparivača. Veća koncentracija sama po sebi bi značila veću korozivnost, ali Haynes International primjećuje da je ovaj učinak djelomično neutraliziran jer razine nečistoća - uključujući kloride koji su najvažniji - imaju tendenciju pada kako kiselina postaje koncentriranija.

Kakav je učinak G-30 u stvarnoj kiselini mokrog-procesa, a ne samo u kiselini čistoće reagensa?

Haynes International podupire svoje laboratorijske podatke-razreda reagensa terenskim-reprezentativnim testiranjem provedenim u stvarnoj kiselini mokrog-procesa koju isporučuje proizvođač fosfata iz Floride pri tri stvarne proizvodne koncentracije (36%, 48% i 54% P2O5) i 121 stupanj (250 stupnjeva F), izravno uspoređujući G-30 s konkurentskim nehrđajućim čelicima pod uvjeti koji su mnogo bliži radnom isparivaču nego test u čaši s reagensom.

Ova razlika je važna za svakoga tko specificira materijal cijevi iz podatkovne tablice: tablice stupnja korozije reagensa- (koje se koriste u ovom članku zbog svoje preciznosti i ponovljivosti) izoliraju samo učinak koncentracije kiseline i temperature, dok prava kiselina mokrog-procesa dodaje fluorid, klorid, sulfat i opterećenje česticama o kojima se govorilo gore. Odluka Haynes Internationala da provede namjensku usporedbu stvarne-kiseline u proizvodnim-relevantnim koncentracijama značajan je dio dubinske analize i to je razlog zašto G-30 ima stvarnu, na terenu potvrđenu evidenciju u ovoj primjeni, a ne čisto teoretsku.

Nezavisni podaci o terenu i pilot-postrojenjima navedeni u patentima procesa fosforne-kiseline dodaju daljnju, dugoročniju-točku podataka za širu obitelj legura Hastelloy G: u ispitivanjima digestije fosfatnih stijena, impeler od legure Hastelloy G zabilježio je stopu korozije od 6,67 mils godišnje naspram legure 625 od 8,35 mils godišnje pod jednim skupom uvjeta digestora, i 11,71 mpy naspram 15,77 mpy za 625 pod uvjetima višeg-oksidacijskog-potencijala. Ove brojke opisuju opću leguru obitelji G-a ne posebno G-30, ali potvrđuju isti smjerni zaključak pokazuju Haynesovi vlastiti podaci: legure G-nikla-kroma i željeza dobro se drže protiv 625 u stvarnim okruženjima proizvodnje fosforne kiseline, ne samo u laboratoriju.

Kako se brzina korozije G-30 mijenja kako koncentracija kiseline raste tijekom isparavanja?

Brzina korozije G-30 u kipućoj fosfornoj kiselini stalno raste od 50% do 85% koncentracije, ali ostaje niska i podložna (0,01-0,84 mm/g) u cijelom rasponu koji će vidjeti niz isparivača, uključujući krajnju točku od oko 54% P2O5 tipičnu za koncentraciju komercijalnog mokrog procesa.

Izvor: Haynes International tablica korozije fosforne kiseline -razreda reagensa, tablica s podacima o leguri HASTELLOY G-30.

Budući da većina komercijalnih mokrih{0}}procesnih nizova cilja na konačnu koncentraciju oko 54% P2O5, projektanti cijevi mogu očekivati da će stopa korozije G-30's reagensa-stope korozije biti u rasponu od 0,1-0,2 mm/g na toj krajnjoj točki - što je unutar ugodnog dopuštenja korozije za život dizajna cijevi od više desetljeća, prije nego što uzmu u obzir dodatni lokalizirani rizik od korozije od klorida o kojem se govori u nastavku.

Kakav je G-30 u usporedbi s 316L, 254SMO i legurom 625 u kiselinama relevantnim za isparivač?

Komparativni dijagrami Haynes Internationala stavljaju G-30 ispred nehrđajućeg čelika 316L i 254SMO i u klorovodičnoj i u sumpornoj kiselini, i ispred legure 625 posebno u klorovodičnoj kiselini - ali Haynes izravno navodi da je linija G-30 od 0,1 mm/g nešto viša od 625 u sumpornoj kiselini, što znači 625 ima malu prednost gdje god je kontaminacija sumpornom kiselinom dominantna briga.

Ovo je korisna, poštena podatkovna točka za donošenje odluka o specifikaciji: G-30 nije univerzalno ispred svake konkurentske legure u svakoj kiselini koju isparivač može vidjeti. Tamo gdje je dominantna nečistoća sumporna kiselina koja se prenosi iz -faze digestije kamena, legura 625 (ili HASTELLOY G-35 s više-kroma, opisana u popratnom članku u ovoj seriji) može ponuditi malu dodatnu maržu. Tamo gdje je kiselina bliža čistoj kemiji mokrog procesa sa svojim karakterističnim opterećenjem klorida, ravnoteža kroma, molibdena i bakra G-30 daje mu stvarnu prednost u odnosu na nehrđajuće čelike i 625 posebno u klorovodičnoj kiselini.

Kolika je otpornost G-30 na rupičastu koroziju ispod naslaga i pukotinsku koroziju?

Pod dva standardna ubrzana testa korištena za simulaciju kloridnih-uvjeta zagađenja - Zelena smrt i Žuta smrt - G-30 prvi pokazuje udubljenje na 55 stupnjeva i napad pukotina na 45 stupnjeva (Zelena smrt) ili 25 stupnjeva (Žuta smrt), što je upravo način kvara kojem su snopovi cijevi isparivača najviše izloženi jer se kamenac i krutine nakupljaju na cijevi. površina.

Izvor: Haynes International podaci o rupičastoj i pukotinskoj koroziji (24-satna ispitivanja), tehnički list legure HASTELLOY G-30.

Ovo je jedini operativno najrelevantniji skup podataka u ovom članku. Otpornost na masu kiseline, kao što je prikazano u gornjim koncentracijskim tablicama, opisuje što se događa s čistom površinom cijevi koja je ravnomjerno izložena tekućoj kiselini. Cijevi pravog isparivača nakupljaju kamenac, naslage kalcijevog sulfata i zastojne zone na pregradama i potpornim pločama - uvjeti koji lokalno koncentriraju kloride i mogu izazvati napad rupa ili pukotina znatno ispod nazivne radne temperature mase kiseline. Prag pukotinske korozije G-30 od 25-45 stupnjeva je značajna, kvantificirana margina iznad tipičnih radnih temperatura isparivača za mnoge dizajne, ali također naglašava zašto periodično mehaničko čišćenje i pregled ispod naslaga ostaje standardna praksa bez obzira na odabir legure.

Je li G-30 otporan na pucanje od korozije uslijed naprezanja klorida u radu isparivača?

Da - u standardnom testu ključanja 45% magnezijevog klorida (ASTM G36),G-30otporan je na pucanje 168 sati, otprilike sedam puta dulje od 254SMO i 84 puta dulje od 316L, i nadmašio je dvije usporedne legure nikla ('28' i '31') testirane uz njega.

Izvor: Haynes International{0}}podaci o korozijskom pucanju (vrelište 45% MgCl2, ASTM G36), tablica s podacima o leguri HASTELLOY G-30.

Otpornost na SCC je važna za snopove cijevi isparivača jer oni kombiniraju dva od tri sastojka. SCC zahtijeva - materijal osjetljiv na vlačno naprezanje (od toplinskog ciklusa, kotrljanja u cijevnu ploču ili zaostalo naprezanje zavara) izložen okolini-koja sadrži klorid. G-30-ov prag od otprilike 168 sati u testu koji je mnogo teži od uobičajenih radnih uvjeta daje dizajnerima cijevi značajnu, kvantificiranu sigurnosnu marginu u odnosu na nehrđajuće čelike koji se najčešće smatraju jeftinijim alternativama.

Kako zavarivanje utječe na otpornost-šava cijevi i-na-cijevne ploče na koroziju?

Stope korozije svih-zavara-metala G-30 ostaju blizu kovanog osnovnog metala u većini uvjeta sumporne i klorovodične kiseline koji su relevantni za rad isparivača, s iznimkom 90% sumporne kiseline, gdje i metal za zavarivanje i kovani osnovni metal pokazuju nagli, usklađeni porast - što znači da povećanje odražava stvarnu kemijsku granicu, a ne specifična slabost zavara.

Izvor: Haynes International podaci o koroziji-za-metala (više-GMAW kruciformni) naspram kovanog osnovnog{4}}metala, lista podataka o leguri HASTELLOY G-30.

Za snopove cijevi isparivača izrađene od zavarene cijevi (ASTM B619/B626) ili koji zahtijevaju zavare-na-cijevne ploče, ovi podaci podržavaju specificiranje G-30 bez općeg smanjenja za zone zavarivanja u većini kiselih uvjeta za koje je legura namijenjena. Rezultat od 90% sumporne kiseline podsjetnik je da G-30, poput G-35, nije pravi izbor ako sumporna kiselina koja se prenosi iz postrojenja redovito doseže tu koncentraciju na stijenci cijevi - uvjet u kojem bi 625 ili G-35 cijev s više kroma bila konzervativnija specifikacija.

Kako toplinska vodljivost G-30 utječe na dizajn cijevi izmjenjivača topline?

Toplinska vodljivost G-30 (oko 10 W/m· stupanj na sobnoj temperaturi, raste do otprilike 19-21 W/m· stupanj na 400-600 stupnjeva ) znatno je ispod one bakrenih legura, pa čak i ugljičnog čelika, tako da područje-prijenosa topline i debljina stijenke-cijevi moraju biti dimenzionirani prema vodljivosti legure na umu - ali ovaj kompromis je značajno nadoknađen vrlo tankim dopuštenjem za koroziju G-30 u usporedbi s debljim stijenkama koje bi trebala manje otporna, jeftinija legura.

Izvor: Haynes International podaci o fizičkim svojstvima, list s podacima o leguri HASTELLOY G-30.

Ovo je pravi kompromis-od inženjeringa, a ne marketinška točka koju treba zamagliti: stijenka cijevi od nikla-kroma-željeza provodit će toplinu osjetno manje učinkovito od usporedive-debljine cijevi od bakrene legure ili ugljičnog čelika, a toplinski dizajn izmjenjivača topline (broj cijevi, duljina ili debljina stijenke) mora to uzeti u obzir izravno u prijenosu topline- izračun. U praksi, dizajneri isparivača to nadoknađuju iskorištavanjem prednosti otpornosti na koroziju G-30 kako bi odredili tanju stijenku cijevi nego što bi to zahtijevala konstrukcija ugljičnog-čelika ili niže-legure, što djelomično nadoknađuje štetu-prijenosu topline zbog niske vodljivosti, dok i dalje pruža više-desetljetni vijek trajanja bez-debljine stijenke potreban bi bio dodatak za koroziju na manje otpornom materijalu.

Koji se oblici i standardi proizvoda cijevi primjenjuju na cijevi isparivača G-30?

G-30 cijev isparivača dostupna je i kao bešavna cijev prema ASTM/ASME B622/SB622 i kao zavarena cijev prema ASTM/ASME B619/B626 i SB619/SB626, isporučuje se mlin-žarena i treba je ponovno-žariti nakon hladnog{10}}oblikovanja ili rad-savijanja cijevi koji proizvodi istezanje vanjskih vlakana od 7% ili više kako bi se obnovila puna otpornost na koroziju.

Izvor: Haynes International tablica "Specifikacije i kodovi", list s podacima o leguri HASTELLOY G-30.

Temperatura žarenja za G-30 je 1177 stupnjeva (2150 stupnjeva F) uz preporuku gašenja u vodi, iako je brzo hlađenje zrakom moguće za strukture tanje od 10 mm (0,375 in) - kategorija koja uključuje većinu debljina stijenke-cijevi isparivača. G-30 je čvršći od austenitnih nehrđajućih čelika i lakše se stvrdnjava, što je izravno važno za operacije savijanja i širenja cijevi tijekom izrade snopa i trebalo bi biti planirano u slijedu proizvodnje.

Koji su praktični dizajn i radna ograničenja za cijevi isparivača G-30?

G-30 radi pouzdano u cijelom rasponu koncentracije od 30-54% P2O5 i do 121 stupanj u pravoj mokroj-procesnoj kiselini, ali dizajneri bi trebali tretirati lokaliziranu kontaminaciju kloridom - a ne masu kiseline - kao vladajuće projektno ograničenje i trebali bi posebno paziti na oštre -skokove brzine korozije Vlastiti podaci G-30 o klorovodičnoj kiselini pokazuju određene srednje kombinacije koncentracije i temperature.

Tablica klorovodične kiseline tvrtke Haynes International pokazuje naglo povećanje stope korozije u nekim međuuvjetima - na primjer, 2,5% HCl na 93 stupnja (200 stupnjeva F) skače na 4,23 mm/g, a kipući 2-2,5% HCl doseže 9,47-12,67 mm/g - daleko iznad dobro{11}}ponašane stope pri nižim i višim koncentracijama u blizini. Ova vrsta nemonotonog ponašanja podsjetnik je da se dijagrami izokorozije i koncentracijske tablice trebaju čitati na stvarnoj, lokalnoj kiseloj kemiji koja se očekuje na stijenci cijevi (uključujući sve učinke koncentracije od vrenja ili isparavanja na samoj površini), a ne samo na nominalnoj masovnoj koncentraciji procesa.

• Upute za dizajn i rad:Pratite razine nečistoća klorida i slobodne -sumporne-kiseline u procesnoj kiselini, jer one - nisu nominalne koncentracije P2O5 - ono što zapravo dovodi do rizika od korozije cijevi.
• Upute za dizajn i rad:Zakažite periodično mehaničko čišćenje i inspekciju ispod kamenca i naslaga, budući da se pragu korozije u pukotinama G-30 (25-45 stupnjeva u ubrzanim testovima) može pristupiti gdje god onečišćenje lokalno koncentrira kloride.
• Upute za dizajn i rad:Izbjegavajte dizajne koji lokalno koncentriraju klorovodičnu kiselinu u rasponu od 2-3% na povišenoj temperaturi, gdje vlastiti podaci G-30 pokazuju neproporcionalan skok brzine korozije.
• Upute za dizajn i rad:Tamo gdje je prijenos sumporne kiseline neuobičajeno visok ili se redovito približava koncentraciji od 90% na stijenci cijevi, procijenite Alloy 625 ili HASTELLOY G-35 kao konzervativniju alternativu.
• Upute za dizajn i rad:Ponovno -žarite cijevi nakon hladnog{1}}oblikovanja ili operacija savijanja koje prelaze oko 7% istezanja vanjskih-vlakana kako biste u potpunosti obnovili otpornost na koroziju prije puštanja u pogon.

Često postavljana pitanja

P: Zašto se Hastelloy G-30 koristi za cijevi isparivača fosforne kiseline?

A: Visok sadržaj kroma u G-30 otporan je na oksidirajući karakter mokrog-procesa fosforne kiseline i kontaminacije dušične-kiseline, dok njegov sadržaj molibdena i bakra otporan je na nečistoće sumporne kiseline prisutne u svakom mokrom-toku. Haynes International navodi cijevi isparivača P2O5 kao jednu od dviju primarnih primjena legure, potkrijepljenu reagens-gradnjom i stvarnim testiranjem kiseline mokrim postupkom.

P: Izdržava li G-30 otpornost na koroziju pri punoj koncentraciji od 54% P2O5 koja se koristi u komercijalnim isparivačima?

A: Da. Podaci o kipućoj fosfornoj kiselini-razreda reagensa pokazuju da stopa korozije G-30 samo postupno raste u cijelom rasponu koncentracija, zadržavajući se u rasponu od 0,1-0,2 mm/god oko 54-60% P2O5 - unutar ugodnog projektnog dopuštenja.

P: Koji je najveći rizik od korozije za G-30 cijevi u servisu isparivača?

A: Klor{0}}potaknuta jamičasta i pukotinska korozija ispod kamenca i naslaga, neravnomjeran kiselinski napad na čistu površinu. Standardni ubrzani testovi pokazuju pragove rupičaste i pukotinske korozije G-30 na 25-55 stupnjeva, zbog čega su periodično čišćenje i pregled ispod onečišćenja važni bez obzira na izbor legure.

P: Je li Hastelloy G-30 bolji od Alloy 625 za isparivače fosforne kiseline?

A: Ovisi koja nečistoća dominira. Vlastiti komparativni podaci Haynes Internationala pokazuju G-30 ispred 625 u klorovodičnoj kiselini, ali 625 ima malu prednost u sumpornoj kiselini. Gdje je prijenos sumporne kiseline neuobičajeno visok, 625 ili HASTELLOY G-35 s više kroma može biti konzervativnija specifikacija.

P: Smanjuje li zavarivanje otpornost na koroziju G-30 u proizvodnji cijevi isparivača?

A: Općenito ne. Objavljeni podaci o -metalu-u odnosu na-obradu pokazuju samo malu razliku između većine uvjeta sumporne i klorovodične kiseline koji su relevantni za rad isparivača, pri čemu i metal zavara i kovani osnovni metal pokazuju usklađen porast-potaknut kemijom samo u najtežim testiranim uvjetima (90% sumporna kiselina).

P: Kakva je toplinska vodljivost G-30 u usporedbi s drugim materijalima cijevi izmjenjivača topline?

A: Toplinska vodljivost G-30 (oko 10 W/m· stupanj na sobnoj temperaturi) znatno je ispod bakrenih legura i ugljičnog čelika, pa područje prijenosa topline- mora biti odgovarajuće veličine. U praksi je to djelomično kompenzirano jer otpornost na koroziju G-30 omogućuje tanju stijenku cijevi od one koja bi bila potrebna manje otpornoj leguri za isti radni vijek.