Hastelloy G-30 vo výparníkoch kyseliny fosforečnej: Údaje o výkonnosti trubice výmenníka tepla

Prečo je Hastelloy G-30 špecifikovaný pre trubice na odparovanie kyseliny fosforečnej?

G-chémia z 30. rokov - s vysokým obsahom chrómu s miernym prídavkom molybdénu a medi - bola zámerne navrhnutá tak, aby zvládla špecifickú kombináciu kontaminantov, ktoré sa nachádzajú v kyseline fosforečnej vyrábanej mokrým procesom, a Haynes International označuje rúrky výparníka P2O5 ako jednu z dvoch hlavných aplikácií zliatiny.

Zdroj: Údajový list nominálneho zloženia Haynes International, zliatina HASTELLOY G-30.

Vysoký obsah chrómu dáva G-30 silnú odolnosť voči oxidačnému charakteru kyseliny z mokrého{2}}procesu a voči zmesiam kyseliny dusičnej a -dusičnej, zatiaľ čo jeho prísady molybdénu a medi mu dodávajú strednú odolnosť voči redukčným kyselinám, ako je chlorovodíková a sírová -, pričom obe sú prítomné ako nečistoty v komerčnom fosfore. Haynes International tiež poznamenáva, že G-30 je menej náchylný na korózne praskanie spôsobené chloridmi ako austenitické nehrdzavejúce ocele, ktoré bežne nahrádza v tejto službe, čo je dôležité priamo pre zväzky rúr, ktoré zaznamenávajú opakované tepelné cykly počas spúšťania a vypínania výparníka.

Prečo je kyselina fosforečná za mokra-korozívna pre rúrky výparníka?

Kyselina fosforečná v mokrom{0}}procese je korozívna predovšetkým kvôli tomu, čo je v nej rozpustené, nie samotnej kyseline fosforečnej: nezreagovaná kyselina sírová, kovové ióny, fluoridové ióny, chloridové ióny a suspendované častice, ako je oxid kremičitý, sú všetky spolu s P2O5, a z nich sú chloridové ióny dominantnou hnacou silou elektrochemického útoku, ktorý určuje životnosť trubíc.

Kyselina fosforečná „mokrým{0}}procesom“ sa vyrába reakciou fosfátovej horniny s kyselinou sírovou a vo svojej výrobe obsahuje len asi 30 % P2O5, pretože je potrebný veľký objem oplachovej vody na jej oddelenie od vedľajšieho produktu síranu vápenatého. Fluoridové ióny majú tendenciu vytvárať stabilné komplexy s kovovými iónmi v roztoku, a preto sú menej agresívne voči materiálom rúrok ako chloridové ióny, ktoré silne ovplyvňujú elektrochemické reakcie medzi kyselinou a kovovým povrchom. To je dôvod, prečo sa výber zliatiny pre rúrky výparníka riadi skôr odolnosťou proti chloridovej-jamkovej a štrbinovej-korózii než len nominálnou silou kyseliny fosforečnej.

Počas procesu odparovania sa koncentrácia P2O5 typicky zvýši z približne 30 % až na približne 54 % v sérii stupňov odparovača. Samotná vyššia koncentrácia by naznačovala vyššiu korozívnosť, ale Haynes International poznamenáva, že tento efekt je čiastočne kompenzovaný, pretože hladiny nečistôt - vrátane chloridov, na ktorých záleží najviac -, majú tendenciu klesať, keď sa kyselina stáva koncentrovanejšou.

Ako funguje G-30 v skutočne mokrom-procese v kyseline, nielen v kyseline reagencie?

Haynes International podporuje svoje{0}}laboratórne údaje v teréne-reprezentatívnym testovaním vykonaným v skutočnom mokrom{2}}procese kyseliny dodanej výrobcom fosfátov na Floride v troch skutočných výrobných koncentráciách (36 %, 48 % a 54 % P2O5) a 121 stupňoch (250 stupňov F), čo priamo porovnáva} s oveľa bližšou konkurenčnou oceľou G30{{1} výparníka ako reagenčný test v kadičke.

Toto rozlíšenie je dôležité pre každého, kto špecifikuje materiál trubice z údajového listu: tabuľky korózie reagentov{0}} (používané v tomto článku kvôli ich presnosti a opakovateľnosti) izolujú vplyv koncentrácie kyseliny a samotnej teploty, zatiaľ čo kyselina v skutočnom mokrom-procese pridáva vyššie diskutované zaťaženie fluoridmi, chloridmi, síranmi a časticami. Rozhodnutie spoločnosti Haynes International uskutočniť špecializované skutočné -porovnávanie kyselín pri produkčných-relevantných koncentráciách je zmysluplným kusom náležitej starostlivosti, a preto má G-30 v tejto aplikácii skôr skutočný, v praxi overený záznam než čisto teoretický.

Nezávislé poľné a pilotné{0}}údaje závodu uvedené v patentoch na spracovanie kyseliny fosforečnej-pridávajú ďalší, dlhodobejší{2}}bod údajov pre širšiu rodinu zliatin Hastelloy G: pri skúškach rozkladu fosfátových hornín zaznamenalo obežné koleso zo zliatiny Hastelloy G mieru korózie 6,67 mil za rok v porovnaní so zliatinou 625 mil. 11,71 mpy oproti 15,77 mpy pre 625 za podmienok vyššieho -oxidačného{10}}potenciálu. Tieto čísla popisujú všeobecnú zliatinu G-a nie konkrétne G-30, ale potvrdzujú rovnaký smerový záver, ktorý ukazujú Haynesove údaje: Zliatiny chróm-železo G-rodina niklu-dobre obstoja oproti 625 v skutočných prostrediach na výrobu kyseliny fosforečnej, nielen v laboratóriu.

Ako sa mení rýchlosť korózie G-30, keď sa zvyšuje koncentrácia kyseliny počas odparovania?

Rýchlosť korózie G-30 vo vriacej kyseline fosforečnej stabilne stúpa od 50 % do 85 % koncentrácie, ale zostáva nízka a zvládnuteľná (0,01 – 0,84 mm/r) v celom rozsahu, ktorý uvidí odparovacia sústava, vrátane približne 54 % koncového bodu P2O5 typického pre komerčné mokré procesy.

Zdroj: Tabuľka korózie kyseliny fosforečnej-triedy reagencií Haynes International, list s údajmi o zliatine HASTELLOY G-30.

Keďže väčšina komerčných mokrých{0}}procesov sa zameriava na konečnú koncentráciu okolo 54 % P2O5, konštruktéri rúr môžu očakávať, že rýchlosť korózie G-30's činidla-v tomto koncovom bode bude v rozsahu 0,1-0,2 mm/rok - v rámci pohodlnej lokálnej tolerancie pre koróziu, o ktorej sa diskutovalo pred rizikom vzniku chloridovej korózie pred niekoľkými desaťročiami. nižšie.

Ako sa G-30 porovnáva s 316L, 254SMO a Alloy 625 v kyselinách relevantných pre výparníky?

Vlastné komparatívne grafy spoločnosti Haynes International umiestňujú G-30 pred nehrdzavejúcu oceľ 316L a 254SMO v kyseline chlorovodíkovej a sírovej a pred zliatinu 625 konkrétne v kyseline chlorovodíkovej - ale Haynes priamo uvádza, že čiara G-30 0,1 mm/y je mierne vyššia ako hrana síry 625, čo znamená, že síra je o niečo vyššia ako hrana 625 kontaminácia kyselinami je dominantným problémom.

Toto je užitočný a čestný údajový bod pre rozhodnutia o špecifikácii: G-30 nie je univerzálne pred každou konkurenčnou zliatinou v každej kyseline, ktorú môže odparovač vidieť. Ak je dominantnou nečistotou kyselina sírová prenesená z-štiepenia horniny, Alloy 625 (alebo vyšší-chróm HASTELLOY G-35, o ktorom sa hovorí v sprievodnom článku v tejto sérii) môže ponúknuť malú dodatočnú maržu. Tam, kde je kyselina bližšia chémii čistého mokrého procesu s jej charakteristickým obsahom chloridov, poskytuje G-30 vyváženosť chrómu, molybdénu a medi skutočnú výhodu oproti nehrdzavejúcej oceli a 625, konkrétne v kyseline chlorovodíkovej.

Aká je odolnosť G-30 voči jamkovej korózii pod nánosom a štrbinovej korózii?

Podľa dvoch štandardných zrýchlených testov používaných na simuláciu chloridových-podmienok - zelenej smrti a žltej smrti - G-30 najskôr ukazuje jamkovanie pri 55 stupňoch a štrbinové napadnutie pri 45 stupňoch (zelená smrť) alebo 25 stupňoch (žltá smrť), čo je presne ten režim zlyhania, v ktorom sú zväzky rúrok výparníka a povrchových zväzkov najviac vystavené šupinám.

Zdroj: Údaje o jamkovej a štrbinovej korózii Haynes International (24-hodinové testy), údajový list zliatiny HASTELLOY G-30.

Toto je jediný prevádzkovo najrelevantnejší súbor údajov v tomto článku. Odolnosť voči kyselinám, ako je uvedené v koncentračných tabuľkách vyššie, popisuje, čo sa stane s čistým povrchom trubice vystaveným rovnomerne tečúcej kyseline. Skutočné výparníkové rúrky akumulujú vodný kameň, usadeniny síranu vápenatého a stagnujúce zóny na priehradkách a podporných doskách -, v ktorých sa chloridy koncentrujú lokálne a môžu vyvolať tvorbu jamiek alebo štrbín hlboko pod nominálnou prevádzkovou teplotou objemovej kyseliny. Prahová hodnota štrbinovej korózie G-30 25-45 stupňov je zmysluplná, kvantifikovaná rezerva nad typickými prevádzkovými teplotami výparníkov pre mnohé konštrukcie, ale tiež podčiarkuje, prečo pravidelné mechanické čistenie a kontrola pod nánosmi zostáva štandardnou praxou bez ohľadu na výber zliatiny.

Je G-30 odolný voči praskaniu chlórovým stresom a korózii v prevádzke výparníka?

Áno - v štandardnom teste s vriacim 45 % chloridom horečnatým (ASTM G36),G-30odolával praskaniu po dobu 168 hodín, čo je zhruba sedemkrát dlhšie ako 254SMO a 84-krát dlhšie ako 316L, a prekonal dve porovnávacie zliatiny niklu („28“ a „31“) testované spolu s ním.

Zdroj: Haynes International{0}}údaje o koróznom praskaní (vr. 45 % MgCl2, ASTM G36), údajový list zliatiny HASTELLOY G-30.

Pre zväzky rúrok výparníka je dôležitá odolnosť voči SCC, pretože kombinujú dve z troch zložiek SCC vyžaduje - materiál náchylný na ťah (od tepelných cyklov, valcovania do rúrkovnice alebo zvyškové napätie zvaru) vystavený chloridovému-ložisku. Zhruba 168-hodinový prah testu G-30 v teste, ktorý je oveľa náročnejší ako typické prevádzkové podmienky, poskytuje konštruktérom rúr značnú, kvantifikovanú bezpečnostnú rezervu v porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou, ktorá sa najčastejšie považuje za lacnejšie alternatívy.

Ako zváranie ovplyvňuje odolnosť-švov a rúr{1}}k-odolnosti rúrok proti korózii?

Miera korózie všetkých-zvarových-kovov G-30-tych rokov zostáva blízko k tvárnenému základnému kovu vo väčšine podmienok používania kyseliny sírovej a chlorovodíkovej, ktoré sú relevantné pre prevádzku výparníka, s výnimkou 90 % kyseliny sírovej, kde zvarový kov aj tvárnený základný kov vykazujú prudký, zodpovedajúci nárast -, čo znamená, že tento nárast odzrkadľuje skôr skutočný limit.

Zdroj: Haynes International celo-zvarové-kovové (viac-prechodové krížové GMAW) vs. údaje o korózii základných-kovov, HASTELLOY G-30 zliatinový list.

V prípade zväzkov rúrok výparníka vyrobených zo zváraných rúr (ASTM B619/B626) alebo vyžadujúcich zvary rúr-k-rúrkovému plechu tieto údaje podporujú špecifikáciu G-30 bez plošného zníženia pre zóny zvaru vo väčšine kyslých podmienok, pre ktoré je zliatina určená. Výsledok 90 % kyseliny sírovej je pripomienkou, že G-30, podobne ako G-35, nie je správnou voľbou, ak prenos kyseliny sírovej v rastline pravidelne dosahuje túto koncentráciu na stene trubice – stav, kedy by 625 alebo trubica G-35 s vyšším obsahom chrómu bola konzervatívnejšia špecifikácia.

Ako tepelná vodivosť G-30 ovplyvňuje dizajn trubice výmenníka tepla?

Tepelná vodivosť G-30 (približne 10 W/m· stupňa pri izbovej teplote, stúpajúca na približne 19-21 W/m· stupňa pri 400-600 stupňoch) je výrazne nižšia ako v prípade zliatin medi a dokonca aj uhlíkovej ocele, takže tepelná -plocha prenosu tepla a rúrka- musí byť táto hrúbka steny podstatne kompenzovaná veľmi tenká korózna tolerancia G-30 umožňuje v porovnaní s hrubšími stenami menej odolnú, lacnejšiu zliatinu.

Zdroj: údaje o fyzikálnych vlastnostiach Haynes International, údajový list zliatiny HASTELLOY G-30.

Toto je skutočný technický kompromis-, nie marketingový bod, ktorý treba zamlčať: stena z niklovej-chrómovej{2}}železnej rúrky vedie teplo zreteľne menej efektívne ako rúrka zo zliatiny medi alebo uhlíkovej ocele s porovnateľnou hrúbkou -a tepelný dizajn výmenníka tepla (počet rúrok, dĺžka alebo hrúbka steny) to musí zohľadniť priamo pri výpočte prenosu tepla{{4}. V praxi to konštruktéri výparníkov kompenzujú tým, že využívajú výhodu odolnosti G-30 voči korózii na špecifikáciu tenšej steny rúrky, než by si vyžadovala konštrukcia z uhlíkovej-ocele alebo nižšej{9}}zliatiny, ktorá čiastočne rekuperuje penalizáciu-prenosu tepla z nižšej vodivosti, pričom stále poskytuje viac{11} toleranciu materiálu na hrúbku steny a{11}dekádu menšiu životnosť bez korózie{12} životnosť by požadoval.

Aké formy a normy produktov rúrok platia pre hadičky výparníka G-30?

Rúrka výparníka G-30 je k dispozícii ako bezšvíková rúra podľa ASTM/ASME B622/SB622 a ako zváraná rúra podľa ASTM/ASME B619/B626 a SB619/SB626, dodávajú sa frézované-žíhané a po akejkoľvek operácii{9} za studena{2}10} rúry by sa mali pretvarovať{9} ktorý vytvára 7 % alebo viac predĺženia vonkajšieho vlákna na obnovenie plnej odolnosti proti korózii.

Zdroj: tabuľka Haynes International "Specifications and Codes", list s údajmi o zliatine HASTELLOY G-30.

Teplota žíhania pre G-30 je 1 177 stupňov (2 150 stupňov F) s odporúčaným ochladzovaním vodou, hoci rýchle ochladzovanie vzduchom je možné pre konštrukcie tenšie ako 10 mm (0,375 palca) - kategória, ktorá zahŕňa väčšinu hrúbok steny výparníkov{11}}. G-30 je tuhšia ako austenitické nehrdzavejúce ocele a ľahšie sa opracúva, čo je priamo dôležité pre operácie ohýbania rúrok a rozširovania počas výroby zväzkov a malo by sa to plánovať vo výrobnej sekvencii.

Aký je praktický dizajn a prevádzkové limity pre rúrky výparníka G-30?

G-30 spoľahlivo funguje v celom rozsahu koncentrácií 30-54 % P2O5 a až 121 stupňov v skutočnom mokrom-procese kyseliny, ale dizajnéri by mali považovať za hlavné konštrukčné obmedzenie miestnu kontamináciu chloridmi - nie silu kyseliny v objeme - a mali by dávať pozor, aby G101 špecificky sledovala ostrú chlórovodíkovú{3}koróziu{3} údaje o kyseline ukazujú pri určitých kombináciách strednej koncentrácie a teploty.

Tabuľka kyseliny chlorovodíkovej spoločnosti Haynes International ukazuje, že rýchlosť korózie prudko stúpa pri niektorých prechodných podmienkach -, napríklad 2,5 % HCl pri 93 stupňoch (200 ° F) vyskočí na 4,23 mm/rok a vriaca 2{7}}2,5 % HCl dosahuje 9,47-12,67} nadpriemerné rýchlosti{12,67} mm/y nižšie aj vyššie koncentrácie v blízkosti. Tento druh nemonotónneho správania je pripomienkou, že diagramy izokorózie a tabuľky koncentrácií by sa mali čítať pri skutočnej, miestnej kyslej chémii očakávanej na stene skúmavky (vrátane akýchkoľvek koncentračných účinkov varu alebo vyparovania priamo na povrchu), nielen pri nominálnej koncentrácii objemového procesu.

• Návod na konštrukciu a prevádzku:Sledujte hladiny nečistôt vo forme chloridu a voľnej -kyseliny sírovej- v procesnej kyseline, pretože tieto - nie nominálna koncentrácia P2O5 - sú tým, čo v skutočnosti zvyšuje riziko korózie rúrok.
• Návod na konštrukciu a prevádzku:Naplánujte si pravidelné mechanické čistenie a kontrolu pod vodným kameňom a usadeninami, pretože prah štrbinovej korózie G-30 (25-45 stupňov v zrýchlených testoch) možno dosiahnuť všade tam, kde znečistenie lokálne koncentruje chloridy.
• Návod na konštrukciu a prevádzku:Vyhnite sa konštrukciám, ktoré koncentrujú kyselinu chlorovodíkovú lokálne do rozsahu 2-3% pri zvýšenej teplote, kde vlastné údaje G-30 ukazujú neprimeraný nárast rýchlosti korózie.
• Návod na konštrukciu a prevádzku:Ak je prenos kyseliny sírovej nezvyčajne vysoký alebo sa pravidelne blíži k 90 % koncentrácii na stene skúmavky, zhodnoťte Alloy 625 alebo HASTELLOY G-35 ako konzervatívnejšiu alternatívu.
• Návod na konštrukciu a prevádzku:Opätovné{0}}žíhanie rúrok po operáciách tvarovania alebo ohýbania za studena- presahujúcich približne 7 % predĺženia vonkajšieho-vlákna, aby sa úplne obnovila odolnosť voči korózii pred uvedením do prevádzky.

Často kladené otázky

Otázka: Prečo sa Hastelloy G-30 používa pre rúrky výparníka kyseliny fosforečnej?

A: Vysoký obsah chrómu v G-30 odoláva oxidačnému charakteru kontaminácie kyselinou fosforečnou a dusičnou {-kyselinou dusičnou v mokrom{2}}procese, zatiaľ čo obsah molybdénu a medi odoláva nečistote kyseliny sírovej prítomnej v každom mokrom-procese. Haynes International označuje rúrky výparníka P2O5 za jednu z dvoch primárnych aplikácií zliatiny, ktorá je podporená testovaním v kvalite reagencií- aj skutočným testovaním kyseliny mokrým procesom.

Otázka: Vydrží odolnosť G-30 voči korózii pri plnej 54 % koncentrácii P2O5 používanej v komerčných výparníkoch?

A: áno. Údaje o vriacej kyseline fosforečnej pre činidlo-ukazujú, že rýchlosť korózie G-30 narastá len postupne v celom koncentračnom rozsahu, pričom zostáva v rozsahu 0,1 – 0,2 mm/rok okolo 54 – 60 % P2O5 - v rámci pohodlnej konštrukčnej tolerancie.

Otázka: Aké je najväčšie riziko korózie pre rúrky G-30 v prevádzke výparníka?

A: Jamková a štrbinová korózia pod vodným kameňom a usadeninami spôsobená chloridom{0}}, na čistom povrchu nie je rovnomerné napadnutie kyselinou. Štandardné zrýchlené testy ukazujú prahové hodnoty bodovej korózie G-30 a štrbinovej korózie pri 25 – 55 stupňoch, preto je pravidelné čistenie a kontrola pri znečistení dôležitá bez ohľadu na výber zliatiny.

Otázka: Je Hastelloy G-30 lepší ako Alloy 625 pre výparníky kyseliny fosforečnej?

A: Záleží na tom, ktorá nečistota dominuje. Vlastné porovnávacie údaje Haynes International ukazujú G-30 pred 625 v kyseline chlorovodíkovej, ale 625 má mierny náskok v kyseline sírovej. Tam, kde je prenos kyseliny sírovej nezvyčajne vysoký, môže byť konzervatívnejšia špecifikácia 625 alebo HASTELLOY G-35 s vyšším obsahom chrómu.

Otázka: Znižuje zváranie odolnosť G-30 voči korózii pri výrobe rúr výparníka?

A: Vo všeobecnosti nie. Publikované údaje o zvarovom-kove-oproti-tepanému materiálu ukazujú len malý rozdiel medzi väčšinou podmienok kyseliny sírovej a kyseliny chlorovodíkovej, ktoré sú relevantné pre prevádzku výparníka, pričom zvarový kov aj tvárny kov vykazujú zodpovedajúce stúpanie spôsobené chémiou-len pri najťažších testovaných podmienkach (90 % kyselina sírová).

Otázka: Aká je tepelná vodivosť G-30 v porovnaní s inými materiálmi rúrok výmenníka tepla?

A: Tepelná vodivosť G-30 (približne 10 W/m·stupeň pri izbovej teplote) je výrazne pod úrovňou zliatin medi a uhlíkovej ocele, takže oblasť prenosu tepla- musí byť primerane dimenzovaná. V praxi je to čiastočne kompenzované, pretože odolnosť proti korózii G-30 umožňuje tenšiu stenu rúrky, ako by potrebovala menej odolná zliatina na rovnakú životnosť.