Hastelloy G-30 w wyparkach kwasu fosforowego: Dane dotyczące wydajności rur wymiennika ciepła

Dlaczego Hastelloy G-30 jest wskazany do stosowania w rurach parownika z kwasem fosforowym?

Substancja chemiczna G-30-tych - o wysokiej zawartości chromu z umiarkowanym dodatkiem molibdenu i dodatku miedzi - została celowo opracowana tak, aby radzić sobie ze specyficzną kombinacją zanieczyszczeń występujących w kwasie fosforowym stosowanym w procesie mokrym, a firma Haynes International wymienia rury parownika P2O5 jako jedno z dwóch głównych zastosowań tego stopu.

Źródło: Arkusz danych o składzie nominalnym Haynes International, stop HASTELLOY G-30.

Wysoka zawartość chromu zapewnia G-30 dużą odporność na utleniający charakter kwasu-procesu mokrego oraz kwasu azotowego i mieszanin-kwasu azotowego, natomiast dodatki molibdenu i miedzi zapewniają umiarkowaną odporność na kwasy redukujące, takie jak solny i siarkowy, - które są obecne jako zanieczyszczenia w dostępnym w handlu kwasie fosforowym. Haynes International zauważa również, że G-30 jest mniej podatny na pękanie spowodowane korozją naprężeniową wywołaną chlorkami niż austenityczna stal nierdzewna, którą powszechnie zastępuje w tej usłudze, co ma bezpośrednie znaczenie w przypadku wiązek rur, które podlegają powtarzającym się cyklom termicznym podczas uruchamiania i wyłączania parownika.

Dlaczego mokry-procesowy kwas fosforowy jest tak żrący dla rurek parownika?

Kwas fosforowy-w procesie mokrym jest korozyjny głównie ze względu na to, co jest w nim rozpuszczone, a nie sam kwas fosforowy: nieprzereagowany kwas siarkowy, jony metali, jony fluorkowe, jony chlorkowe i cząstki zawieszone, takie jak krzemionka, przemieszczają się wraz z P2O5, a spośród nich jony chlorkowe są dominującym czynnikiem powodującym atak elektrochemiczny, który decyduje o żywotności lampy.

Kwas fosforowy „w procesie-mokrym” wytwarza się w wyniku reakcji fosforytu z kwasem siarkowym, a po wytworzeniu zawiera tylko około 30% P2O5 ze względu na dużą objętość wody płuczącej potrzebnej do oddzielenia go od produktu ubocznego, jakim jest siarczan wapnia. Jony fluorkowe mają tendencję do tworzenia stabilnych kompleksów z jonami metali w roztworze i dlatego są mniej agresywne w stosunku do materiałów rurek niż jony chlorkowe, które silnie wpływają na reakcje elektrochemiczne pomiędzy kwasem a powierzchnią metalu. Z tego powodu wybór stopu na rury parownika opiera się bardziej na odporności na korozję-chlorkową i szczelinową- niż na samej nominalnej mocy kwasu fosforowego.

Podczas procesu odparowywania stężenie P2O5 zwykle wzrasta z około 30% do około 54% w szeregu stopni wyparki. Samo wyższe stężenie sugerowałoby wyższą korozyjność, ale Haynes International zauważa, że ​​efekt ten jest częściowo równoważony, ponieważ poziomy zanieczyszczeń -, w tym najważniejsze chlorki, - mają tendencję do spadku wraz ze wzrostem stężenia kwasu.

Jak G-30 radzi sobie z prawdziwym-mokrym kwasem procesowym, a nie tylko kwasem klasy odczynnika?

Firma Haynes International potwierdza swoje dane laboratoryjne dotyczące-odczynników-reprezentatywnymi badaniami terenowymi przeprowadzonymi w rzeczywistym-kwasie procesowym na mokro dostarczonym przez producenta fosforanów z Florydy w trzech rzeczywistych stężeniach produkcyjnych (36%, 48% i 54% P2O5) i 121 stopniach (250 stopni F), bezpośrednio porównując G-30 z konkurencyjnymi stalami nierdzewnymi w warunkach znacznie bliższych działającemu parownikowi niż test zlewkowy klasy odczynnikowej.

To rozróżnienie ma znaczenie dla każdego, kto określa materiał rury na podstawie arkusza danych: tabele korozji klasy odczynnika (wykorzystywane w tym artykule ze względu na ich precyzję i powtarzalność) izolują wpływ samego stężenia kwasu i temperatury, podczas gdy prawdziwy kwas-procesowy na mokro dodaje omówione powyżej obciążenie fluorkiem, chlorkiem, siarczanem i cząstkami stałymi. Decyzja firmy Haynes International o przeprowadzeniu dedykowanego porównania rzeczywistych-kwasów w odpowiednich dla produkcji-stężeniach stanowi znaczący element analizy due diligence i dlatego G-30 ma w tym zastosowaniu prawdziwe, potwierdzone w praktyce doświadczenie, a nie czysto teoretyczne.

Niezależne dane terenowe i pilotażowe zebrane w patentach na-proces kwasu fosforowego dodają kolejny,-terminowy punkt danych dla szerszej rodziny stopów Hastelloy G: w próbach fermentacji skał fosforanowych wirnik ze stopu Hastelloy G odnotował szybkość korozji wynoszącą 6,67 milicala rocznie w porównaniu do 8,35 milicala rocznie w przypadku stopu Alloy 625 w jednym zestawie warunków komory fermentacyjnej oraz 11,71 mpy w porównaniu z 15,77 mpy dla 625 w warunkach wyższego potencjału-utleniania-. Liczby te opisują ogólny stop rodziny G-, a nie konkretnie G-30, ale potwierdzają ten sam kierunkowy wniosek, jaki pokazują własne dane Haynesa: stopy niklu-rodziny G-chromu i żelaza dobrze radzą sobie z 625 w rzeczywistych środowiskach produkcji kwasu fosforowego, a nie tylko w laboratorium.

Jak zmienia się szybkość korozji G-30 wraz ze wzrostem stężenia kwasu podczas parowania?

Szybkość korozji G-30 we wrzącym kwasie fosforowym stale rośnie od stężenia 50% do 85%, ale pozostaje niska i możliwa do kontrolowania (0,01-0,84 mm/rok) w całym zakresie, w jakim występuje ciąg parownika, w tym w przybliżeniu 54% punktu końcowego P2O5, typowego dla komercyjnego stężenia w procesie mokrym.

Źródło: Tabela korozji kwasu fosforowego klasy odczynnikowej firmy Haynes International-, arkusz danych stopu HASTELLOY G-30.

Ponieważ większość komercyjnych ciągów do-procesu mokrego ma docelowe stężenie końcowe około 54% P2O5, projektanci rur mogą spodziewać się, że szybkość korozji klasy odczynnika G-30- będzie mieściła się w zakresie 0,1-0,2 mm/rok w tym punkcie końcowym - z dużym naddatkiem na korozję zapewniającym wieloletnią trwałość projektową rury, przed uwzględnieniem dodatkowego ryzyka korozji miejscowej ze strony chlorków omówionych poniżej.

Jak G-30 wypada w porównaniu z 316L, 254SMO i Alloy 625 w kwasach istotnych dla parownika?

Własne wykresy porównawcze Haynes International plasują G-30 przed stalą nierdzewną 316L i 254SMO zarówno w kwasie solnym, jak i siarkowym, a przed Alloy 625 szczególnie w kwasie solnym, ale Haynes stwierdza bezpośrednio, że linia 0,1 mm/y G-30 jest nieco wyższa niż 625 w kwasie siarkowym, co oznacza, że 625 ma niewielką przewagę tam, gdzie dominuje zanieczyszczenie kwasem siarkowym troska.

Jest to przydatny, rzetelny punkt danych przy podejmowaniu decyzji dotyczących specyfikacji: G-30 nie zawsze przewyższa każdy konkurencyjny stop w każdym kwasie, jaki może spotkać parownik. Tam, gdzie dominującym zanieczyszczeniem jest kwas siarkowy przeniesiony z etapu-fermentacji skały, stop 625 (lub HASTELLOY G-35 z wyższym-chromem, omówiony w artykule towarzyszącym z tej serii) może oferować niewielką dodatkową marżę. Tam, gdzie kwas jest bliższy czystej chemii procesu mokrego z charakterystyczną zawartością chlorków, równowaga chromu, molibdenu i miedzi w G-30 daje mu rzeczywistą przewagę zarówno nad stalami nierdzewnymi, jak i konkretnie 625 w kwasie chlorowodorowym.

Jaka jest odporność G-30 na wżery pod osadami i korozję szczelinową?

W ramach dwóch standardowych przyspieszonych testów stosowanych do symulacji warunków-zanieczyszczenia chlorkami - zielonej śmierci i żółtej śmierci - G-30 najpierw wykazuje wżery przy 55 stopniach i atak szczeliny przy 45 stopniach (zielona śmierć) lub 25 stopni (żółta śmierć), czyli dokładnie na ten stan awaryjny, na który wiązki rur parownika są najbardziej narażone, ponieważ na powierzchni rury gromadzą się osady i ciała stałe.

Źródło: Dane dotyczące korozji wżerowej i szczelinowej Haynes International (testy 24-godzinne), karta charakterystyki stopu HASTELLOY G-30.

Jest to pojedynczy, najbardziej istotny pod względem operacyjnym zestaw danych w tym artykule. Odporność na kwasy luzem, jak pokazano w tabelach stężeń powyżej, opisuje, co dzieje się z czystą powierzchnią rurki wystawioną równomiernie na przepływający kwas. W rzeczywistych rurach parownika gromadzi się kamień, osady siarczanu wapnia i strefy zastoju na przegrodach i płytach wsporczych, -, co powoduje lokalną koncentrację chlorków i może wywołać wżery lub ataki szczelin znacznie poniżej nominalnej temperatury roboczej kwasu luzem. Próg korozji szczelinowej G-30 wynoszący 25–45 stopni to znaczący, wyrażony ilościowo margines powyżej typowych temperatur roboczych parownika dla wielu projektów, ale podkreśla także, dlaczego okresowe mechaniczne czyszczenie i kontrola pod osadami pozostaje standardową praktyką niezależnie od wyboru stopu.

Czy G-30 jest odporny na pękanie spowodowane korozją naprężeniową chlorków w parowniku?

Tak - w standardowym teście wrzącego 45% chlorku magnezu (ASTM G36),G-30wytrzymał pękanie przez 168 godzin, czyli mniej więcej siedem razy dłużej niż 254SMO i 84 razy dłużej niż 316L, i uzyskał lepsze wyniki niż dwa porównawcze stopy niklu („28” i „31”) testowane równolegle z nim.

Źródło: dane dotyczące pękania korozyjnego- firmy Haynes International (wrzenie 45% MgCl2, ASTM G36), arkusz danych stopu HASTELLOY G-30.

Odporność na SCC ma znaczenie w przypadku wiązek rurek parownika, ponieważ łączą w sobie dwa z trzech składników. SCC wymaga - podatnego materiału poddawanego naprężeniom rozciągającym (od cykli termicznych, walcowania w arkusz rurowy lub szczątkowemu naprężeniu spawania) wystawionego na działanie środowiska zawierającego chlorki.-. Próg G-30 wynoszący około 168 godzin w teście znacznie bardziej surowym niż typowe warunki pracy daje projektantom rur znaczny, wymierny margines bezpieczeństwa w porównaniu ze stalami nierdzewnymi, które są najczęściej uważane za tańsze alternatywy.

Jak spawanie wpływa na odporność-szwu i rury-na-arkusz rury?

Szybkość korozji wszystkich-spoin-metali G-30-tych utrzymuje się na poziomie zbliżonym do kutego metalu nieszlachetnego w większości warunków kwasu siarkowego i solnego istotnych dla pracy parownika, z wyjątkiem 90% kwasu siarkowego, gdzie zarówno metal spoiny, jak i kuty metal nieszlachetny wykazują ostry, dopasowany wzrost -, co oznacza, że ​​wzrost w tym miejscu odzwierciedla rzeczywistą granicę chemiczną, a nie słabość specyficzną dla spoiny.

Źródło: dane dotyczące korozji-metali-wszystkich-spoin- firmy Haynes (wielo-przejściowe GMAW w kształcie krzyża) w porównaniu z kutymi-metalami nieszlachetnymi, arkusz danych stopu HASTELLOY G-30.

W przypadku wiązek rur parownika wykonanych ze spawanych rur (ASTM B619/B626) lub wymagających spawów rur-z-arkuszem rur, dane te potwierdzają określenie G-30 bez ogólnego obniżania wartości znamionowych dla stref spawania w większości warunków kwasowych, do jakich stop jest przeznaczony. Wynik 90% kwasu siarkowego przypomina, że ​​G-30, podobnie jak G-35, nie jest właściwym wyborem, jeśli kwas siarkowy przenoszony przez roślinę regularnie osiąga takie stężenie na ściance rury – stan, w którym rura 625 lub G-35 z wyższą zawartością chromu byłaby bardziej konserwatywną specyfikacją.

W jaki sposób przewodność cieplna G-30 wpływa na konstrukcję rurki wymiennika ciepła?

Przewodność cieplna G-30 (około 10 W/m· stopnia w temperaturze pokojowej, wzrastająca do około 19-21 W/m· stopnia w temperaturze 400-600 stopni) jest znacznie niższa od stopów miedzi, a nawet stali węglowej, dlatego-obszar przenoszenia ciepła i grubość ścianki-rur muszą być dobierane z uwzględnieniem przewodności stopu – ale ten kompromis jest zasadniczo równoważony przez bardzo mały naddatek na korozję G-30 pozwala, w porównaniu z grubszymi ściankami, potrzebować mniej odpornego, tańszego stopu.

Źródło: Dane dotyczące właściwości fizycznych Haynes International, arkusz danych stopu HASTELLOY G-30.

Jest to prawdziwy kompromis-techniczny, a nie punkt marketingowy, który można zatuszować: ścianka rury z niklowego-chromu-żelaza będzie przewodzić ciepło zauważalnie mniej efektywnie niż rura ze stopu miedzi lub stali węglowej o porównywalnej-grubości, a projekt termiczny wymiennika ciepła (liczba rur, długość lub grubość ścianki) musi uwzględniać to bezpośrednio w obliczeniach{{4}przenikania ciepła. W praktyce projektanci parowników równoważą to, wykorzystując odporność na korozję G-30, aby określić cieńszą ściankę rury niż wymagałaby konstrukcja ze stali-węglowej lub-niższych stopów, co częściowo odzyskuje wpływ-przenikania ciepła z niższej przewodności, a jednocześnie zapewnia wielo-okres użytkowania bez marginesu-grubości ścianki, jakiego wymagałby naddatek na korozję w przypadku mniej odpornego materiału.

Jakie formy i standardy produktów rurowych mają zastosowanie do rurek parownika G-30?

Rury parownika G-30 są dostępne zarówno w wersji bezszwowej zgodnie z normami ASTM/ASME B622/SB622, jak i rurami spawanymi zgodnie z normami ASTM/ASME B619/B626 i SB619/SB626. Są dostarczane-wyżarzane walcowo i należy je ponownie-wyżarzać po każdej operacji-formowania na zimno lub{12}}gięcia rur, w wyniku której powstaje Wydłużenie włókien zewnętrznych o 7% lub więcej w celu przywrócenia pełnej odporności na korozję.

Źródło: Tabela „Specyfikacje i kody” firmy Haynes International, arkusz danych stopu HASTELLOY G-30.

Temperatura wyżarzania dla G-30 wynosi 1177 stopni (2150 stopni F) i zalecane jest hartowanie w wodzie, chociaż szybkie chłodzenie powietrzem jest możliwe w przypadku konstrukcji cieńszych niż 10 mm (0,375 cala) -, a jest to kategoria obejmująca większość grubości ścianek rur parownika-. G-30 jest sztywniejszy niż austenityczna stal nierdzewna i łatwiej utwardza ​​się przez zgniot, co ma bezpośrednie znaczenie w przypadku operacji gięcia i rozszerzania rur podczas wytwarzania wiązek i powinno być zaplanowane w sekwencji produkcyjnej.

Jakie są praktyczne ograniczenia projektowe i operacyjne dla rur parownika G-30?

G-30 działa niezawodnie w pełnym zakresie stężeń 30-54% P2O5 i do 121 stopni w rzeczywistym-kwasie procesowym na mokro, ale projektanci powinni traktować lokalne zanieczyszczenia chlorkami - a nie masową moc kwasu - jako główne ograniczenie projektowe i powinni zwracać szczególną uwagę na ostre-skoki szybkości korozji. Dane własne dotyczące kwasu solnego G-30 pokazują przy pewnych pośrednie kombinacje stężenia i temperatury.

Tabela kwasu solnego firmy Haynes International pokazuje, że szybkość korozji gwałtownie rośnie w niektórych warunkach pośrednich - na przykład 2,5% HCl w temperaturze 93 stopni (200 stopni F) skacze do 4,23 mm/rok, a wrzący 2-2,5% HCl osiąga 9,47-12,67 mm/rok - znacznie powyżej dobrze-zachowanych szybkości w obu przypadkach w pobliżu coraz niższe stężenia. Ten rodzaj niemonotonicznego zachowania przypomina, że ​​diagramy izokorozyjne i tabele stężeń należy odczytywać w oparciu o rzeczywisty, lokalny skład chemiczny kwasu oczekiwany na ściance rury (w tym wszelkie skutki stężenia wynikające z wrzenia lub parowania bezpośrednio na powierzchni), a nie tylko nominalne stężenie procesowe w masie.

• Wytyczne dotyczące projektowania i obsługi:Śledź poziom zanieczyszczeń chlorkiem i wolnym-kwasem siarkowym-w kwasie procesowym, ponieważ to właśnie -, a nie nominalne stężenie P2O5 -, w rzeczywistości powoduje ryzyko korozji rur.
• Wytyczne dotyczące projektowania i obsługi:Zaplanuj okresowe czyszczenie mechaniczne i kontrolę pod kątem kamienia i osadów, ponieważ próg korozji szczelinowej G-30 (25–45 stopni w testach przyspieszonych) można osiągnąć wszędzie tam, gdzie zanieczyszczenia lokalnie koncentrują chlorki.
• Wytyczne dotyczące projektowania i obsługi:Unikaj projektów, które lokalnie koncentrują kwas solny w zakresie 2-3% w podwyższonej temperaturze, gdzie własne dane G-30 wskazują na nieproporcjonalny skok szybkości korozji.
• Wytyczne dotyczące projektowania i obsługi:Jeżeli przenoszenie kwasu siarkowego jest niezwykle wysokie lub regularnie osiąga stężenie 90% na ściance rury, należy zastosować stop 625 lub HASTELLOY G-35 jako bardziej konserwatywną alternatywę.
• Wytyczne dotyczące projektowania i obsługi:Rury-ponowne wyżarzanie po operacjach-formowania na zimno lub gięcia przekraczających około 7% zewnętrznego-wydłużenia włókien w celu pełnego przywrócenia odporności na korozję przed oddaniem do użytku.

Często zadawane pytania

P: Dlaczego Hastelloy G-30 jest stosowany w rurach parownika kwasu fosforowego?

A: Wysoka zawartość chromu w G-30 zapobiega utleniającemu charakterowi zanieczyszczeń kwasem fosforowym i azotem-procesu mokrego, podczas gdy zawartość molibdenu i miedzi jest odporna na zanieczyszczenie kwasem siarkowym obecnym w każdym-strumieniu procesu mokrego. Firma Haynes International wymienia rury parownika P2O5 jako jedno z dwóch głównych zastosowań tego stopu, co zostało poparte zarówno testami odczynnikowymi, jak i testami kwasowymi w rzeczywistej metodzie mokrej.

P: Czy odporność na korozję G-30 utrzymuje się przy pełnym stężeniu P2O5 wynoszącym 54% stosowanym w wyparkach komercyjnych?

A: Tak. Dane dotyczące wrzącego kwasu fosforowego-odczynnika pokazują, że szybkość korozji G-30 rośnie jedynie stopniowo w całym zakresie stężeń, utrzymując się w zakresie 0,1–0,2 mm/rok około 54–60% P2O5 -, co mieści się w dopuszczalnym zakresie projektowania.

P: Jakie jest największe ryzyko korozji rur G-30 używanych w parownikach?

A: Korozja wżerowa i szczelinowa spowodowana chlorkami- pod kamieniem i osadami, nierównomierny atak kwasu na czystą powierzchnię. Standardowe przyspieszone testy wykazują progi korozji wżerowej i szczelinowej G-30 w temperaturze 25–55 stopni, dlatego okresowe czyszczenie i kontrola pod kątem zanieczyszczeń pozostają ważne niezależnie od wyboru stopu.

P: Czy Hastelloy G-30 jest lepszy niż Alloy 625 do wyparek kwasu fosforowego?

A: Zależy jakie zanieczyszczenie dominuje. Własne dane porównawcze Haynes International pokazują, że G-30 wyprzedza 625 w kwasie solnym, ale 625 ma lekką przewagę w kwasie siarkowym. W przypadku, gdy zawartość kwasu siarkowego jest wyjątkowo wysoka, bardziej konserwatywną specyfikacją może być HASTELLOY G-35 z wyższą zawartością chromu.

P: Czy spawanie zmniejsza odporność na korozję G-30 podczas produkcji rur parownika?

A: Generalnie nie. Opublikowane dane dotyczące-metalu spoiny-w porównaniu-kutego, wykazują jedynie niewielką różnicę w większości warunków kwasu siarkowego i solnego istotnych dla pracy parownika, przy czym zarówno metal spoiny, jak i metal nieszlachetny do obróbki plastycznej wykazują dopasowany,-chemiczny wzrost tylko w najsurowszych testowanych warunkach (90% kwas siarkowy).

P: Jak przewodność cieplna G-30 wypada w porównaniu z innymi materiałami rur wymienników ciepła?

A: G-30's thermal conductivity (about 10 W/m·℃ at room temperature) is well below copper alloys and carbon steel, so heat-transfer area must be sized accordingly. In practice this is partly offset because G-30's corrosion resistance allows a thinner tube wall than a less-resistant alloy would need for the same service life.