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

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

G-30's hemija - visoki krom sa umjerenim molibdenom i dodatkom bakra - je namjerno dizajnirana da se nosi sa specifičnom kombinacijom zagađivača koji se nalaze u fosfornoj kiselini u mokrom procesu, a Haynes International imenuje cijevi za isparivače P2O5 kao jednu od dvije primjene u svim glavama.

Izvor: Haynes International lista sa podacima o nominalnom sastavu, legura HASTELLOY G-30.

Visok sadržaj hroma daje G-30 jaku otpornost na oksidirajući karakter vlažne-procesne kiseline i na mješavine azotne i azotne-kiseline, dok mu dodaci molibdena i bakra daju umjerenu otpornost na redukcijske kiseline kao što su hlorovodonična i sumporna -, a obje su prisutne u komercijalnim primesama. Haynes International također napominje da je G-30 manje podložan pucanju uzrokovanom hloridom izazvanom naprezanjem i korozijom od austenitnih nehrđajućih čelika koje obično zamjenjuje u ovoj usluzi, što je direktno važno za snopove cijevi koji se ponavljaju termičkim ciklusima tokom pokretanja i isključivanja isparivača.

Šta čini vlažnu{0}}procesnu fosfornu kiselinu tako korozivnom za cijevi isparivača?

Fosforna kiselina-mokrim procesom je korozivna prvenstveno zbog onoga što je u njoj otopljeno, a ne zbog same fosforne kiseline: neizreagirana sumporna kiselina, metalni joni, joni fluorida, kloridni ioni i suspendirane čestice poput silicijevog dioksida voze zajedno sa P2O5, a od ovih elektrohemijskih klorida koji su dominantni pokretači klorida život.

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 kalcijum sulfata. Fluoridni joni imaju tendenciju da formiraju stabilne komplekse sa metalnim ionima u rastvoru i stoga su manje agresivni prema materijalima cevi od jona klorida, koji snažno utiču na elektrohemijske reakcije između kiseline i metalne površine. Zbog toga je odabir legure za cijevi isparivača vođen više otpornošću na hlorid-udubljenja i pukotine-korozijom nego samo nominalnom jačinom fosforne kiseline kiseline.

Tokom procesa isparavanja, koncentracija P2O5 se obično povećava sa otprilike 30% na oko 54% u nizu faza isparivača. Veća koncentracija sama po sebi bi sugerirala veću korozivnost, ali Haynes International primjećuje da je ovaj efekat djelimično neutraliziran jer nivoi nečistoća - uključujući kloride koji su najvažniji - imaju tendenciju pada kako kiselina postaje sve koncentriranija.

Kako G-30 djeluje u stvarno vlažnoj-procesnoj kiselini, a ne samo u kiselini za reagens?

Haynes International podržava svoje laboratorijske podatke-klase reagensa-reprezentativnim testiranjem provedenim u stvarnoj mokroj-procesnoj kiselini koju isporučuje proizvođač fosfata na Floridi u tri stvarne proizvodne koncentracije (36%, 48% i 54% P2O5) i 121 stepen F{3} direktno u odnosu na {30} konkurentni nehrđajući čelici u uvjetima mnogo bližim radnom isparivaču nego test čaše za reagens.

Ova razlika je važna za svakoga ko specificira materijal cijevi iz lista sa podacima: tablice korozije za reagens- (koje se koriste u cijelom ovom članku zbog njihove preciznosti i ponovljivosti) izoliraju samo učinak koncentracije kiseline i temperature, dok prava vlažna-procesna kiselina dodaje opterećenje fluorom, kloridom, sulfatom i česticama o kojem je gore raspravljano. Odluka Haynes Internationala da izvrši namjensko poređenje stvarnih-kiselina u koncentracijama relevantnim za proizvodnju{4}} predstavlja značajan dio dužne pažnje, i to je razlog zašto G-30 ima istinsku, potvrđenu evidenciju u ovoj aplikaciji, a ne čisto teoretsku.

Nezavisni terenski i{0}}podaci o postrojenjima prijavljeni u patentima za procese fosforne{1}}kiseline dodaju daljnju, dugoročnu tačku podataka za širu familiju legure Hastelloy G: u ispitivanjima digestije fosfatnih stijena, rotor od legure Hastelloy G je zabilježio stopu korozije od 67 milja godišnje u odnosu na 625 mil. mils godišnje pod jednim skupom uslova digestora, i 11,71 mpy u odnosu na 15,77 mpy za 625 u uslovima većeg-oksidacionog-potencijala. Ove brojke opisuju opću leguru G-familije, a ne konkretno G-30, ali potvrđuju isti smjerni zaključak koji Haynesovi podaci pokazuju: G-porodica nikla-legure hroma i željeza se dobro drže u odnosu na 625 u stvarnoj proizvodnji fosforne kiseline, a ne samo fosforne kiseline.

Kako se stopa korozije G-30 mijenja kako koncentracija kiseline raste tokom isparavanja?

Stopa korozije G-30 u kipućoj fosfornoj kiselini stalno raste od 50% do 85% koncentracije, ali ostaje niska i podnošljiva (0,01-0,84 mm/god) u cijelom rasponu koji će sklop isparivača vidjeti, uključujući otprilike 54% koncentracije P2O5 krajnje tačke tipične za komercijalni we-proces.

Izvor: Haynes International reagens -tabela korozije fosforne kiseline, lista podataka o leguri HASTELLOY G-30.

Budući da većina komercijalnih mokrih{0}}procesnih vlakova cilja konačnu koncentraciju oko 54% P2O5, dizajneri cijevi mogu očekivati da će stopa korozije G-30 reagensa-razreda korozije biti u rasponu od 0,1-0,2 mm/y na toj krajnjoj tački - dobro unutar udobnog vijeka trajanja za višestruko smanjenje korozije, prije nego što se uzme u obzir dodatni vek trajanja. lokalizovani rizik od korozije od hlorida koji se razmatra u nastavku.

Kako se G-30 poredi sa 316L, 254SMO i legurom 625 u kiselinama relevantnim za isparivač?

Uporedni prikazi kompanije Haynes International stavljaju G-30 ispred 316L i 254SMO nehrđajućeg čelika iu hlorovodoničnoj i u sumpornoj kiselini, i ispred legure 625, posebno u hlorovodoničnoj kiselini - ali Haynes direktno navodi da je G-30-ov 0,1 mm/y liniji, što znači da je su25 kiselina neznatno veća u25. drži malu prednost svuda gdje je kontaminacija sumpornom kiselinom dominantna briga.

Ovo je korisna, iskrena tačka podataka za odluke o specifikacijama: G-30 nije univerzalno ispred svake konkurentske legure u svakoj kiselini koju bi isparivač mogao vidjeti. Tamo gdje je dominantna nečistoća sumporna kiselina prenesena iz koraka digestije stijena-, legura 625 (ili viši -hrom HASTELLOY G-35, pokrivena u pratećem članku u ovoj seriji) može ponuditi malu dodatnu marginu. Tamo gdje je kiselina bliža čistoj hemiji mokrog procesa sa svojim karakterističnim opterećenjem klorida, ravnoteža hroma, molibdena i bakra u G-30 daje joj stvarnu prednost u odnosu na nehrđajuće čelike i posebno 625 u hlorovodoničnoj kiselini.

Koja je otpornost G-30 na udubljenje ispod naslaga i koroziju u pukotinama?

U okviru dva standardna ubrzana testa koji se koriste za simulaciju stanja-zaprljanih kloridom - Zelena smrt i žuta smrt - G-30 prvo pokazuje pitting na 55 stepeni i napad pukotina na 45 stepeni (zelena smrt) ili 25 stepeni (žuta smrt), što je upravo način kvara, jer su isparivači najviše izloženi cevi isparivača i čvrste cevi koje su izložene cevovodu. površine.

Izvor: Haynes International podaci o koroziji i koroziji u pukotinama (24-satna ispitivanja), list sa podacima o leguri HASTELLOY G-30.

Ovo je jedini operativno najrelevantniji skup podataka u ovom članku. Otpornost na masu kiseline, kao što je prikazano u gornjim tabelama koncentracije, opisuje šta se dešava sa čistom površinom cevi koja je ravnomerno izložena kiselini koja teče. Prave cijevi isparivača akumuliraju kamenac, naslage kalcijum sulfata i stagnirajuće zone na pregradama i potpornim pločama - u uvjetima koji koncentrišu kloride lokalno i mogu pokrenuti napad rupa ili pukotina znatno ispod nominalne radne temperature rasute kiseline. Prag korozije u pukotini G-30 od 25-45 stepeni je značajna, kvantificirana granica iznad tipičnih radnih temperatura isparivača za mnoge dizajne, ali također naglašava zašto periodično mehaničko čišćenje i inspekcija ispod naslaga ostaje standardna praksa bez obzira na odabir legure.

Da li je G-30 otporan na pucanje hloridnim naponom i korozijom u servisu isparivača?

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

Izvor: Haynes International podaci o naponu{0}}korozijskom pucanju (vrući 45% MgCl2, ASTM G36), list sa podacima o leguri HASTELLOY G-30.

Otpornost SCC-a je važna za snopove cijevi isparivača jer kombinuju dva od tri sastojka. SCC-u je potreban - osjetljiv materijal pod vlačnim naprezanjem (od termičkog ciklusa, kotrljanja u cijev cijevi ili zaostalog naprezanja zavarivanja) izloženog okruženju koje nosi hlorid-. G-30-ov prag od otprilike 168 sati u testu koji je daleko teži od tipičnih uslova rada daje dizajnerima cijevi značajnu, kvantificiranu sigurnosnu marginu u odnosu na nehrđajuće čelike koji se najčešće smatraju jeftinijim alternativama.

Kako zavarivanje utječe na otpornost cijevi-šava i cijevi{1}}na-otpornost na koroziju?

G-30's sve-zavarene-stope korozije metala ostaju blizu kovanog osnovnog metala u većini uslova sumporne i klorovodične kiseline relevantnih za servis isparivača, s izuzetkom 90% sumporne kiseline, gdje i metal zavarivanja i kovani osnovni metal pokazuju oštar, podudaran porast {{5} reflektuje geneu granicu prije nego pogrešno slabost specifična za zavarivanje.

Izvor: Haynes International all-zavareni-metal (više-prolazni GMAW kruciformni) u odnosu na kovanu bazu-podaci o koroziji metala, list sa podacima o leguri HASTELLOY G-30.

Za snopove cijevi isparivača proizvedene od zavarenih cijevi (ASTM B619/B626) ili za koje je potrebno zavarivanje cijevi-za-limene cijevi, ovi podaci podržavaju specifikaciju G-30 bez opšteg smanjenja karakteristika za zone zavarivanja u većini kiselih uslova za koje je legura namijenjena. Rezultat od 90% sumporne kiseline je podsjetnik da G-30, kao i G-35, nije pravi izbor ako prijenos sumporne kiseline biljke redovno dostigne tu koncentraciju na zidu cijevi - stanje u kojem bi 625 ili cijev s višim hromom G-35 bila konzervativnija specifikacija.

Kako toplotna provodljivost G-30 utječe na dizajn cijevi izmjenjivača topline?

Toplotna provodljivost G-30 (oko 10 W/m· stepen na sobnoj temperaturi, koja se penje na otprilike 19-21 W/m· stepen na 400-600 stepeni) je znatno ispod one legure bakra, pa čak i ugljeničnog čelika, tako da toplotna-područje prijenosa} mora biti provodljivo-područje prijenosa} i sva cijev{9} mora imati debljinu imajući na umu - ali ovaj kompromis je u velikoj mjeri nadoknađen vrlo tankim dopuštenim postotkom korozije G-30 u poređenju sa debljim zidovima manje otpornim, jeftinijim legurama.

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

Ovo je pravi inženjerski kompromis-a ne marketinška poenta koju treba zanemariti: zid cijevi od nikla-kroma-gvozdenog gvožđa će provoditi toplinu primjetno manje efikasno od uporedive debljine cijevi od legure bakra ili ugljičnog čelika, a toplinski izmjenjivač topline-krom-zid će prenositi toplinu direktno u obzir} proračun. U praksi, dizajneri isparivača to kompenziraju tako što koriste prednost otpornosti na koroziju G-30 kako bi odredili tanji zid cijevi nego što bi to zahtijevao dizajn od ugljičnog-čelika ili niže-legura, koji djelimično nadoknađuje{10}}prenos topline zbog niže provodljivosti, a istovremeno pruža više{10} radni vijek trajanja zida{11} Nadoknada korozije na manje otpornom materijalu bi zahtijevala.

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

G-30 cijev isparivača je dostupna kao bešavna cijev prema ASTM/ASME B622/SB622 i zavarena cijev prema ASTM/ASME B619/B626 i SB619/SB626, isporučuje se mlin-žarena, i treba je ponovo{101} {10} {100}{101} operacija{12}}savijanja cijevi koja proizvodi 7% ili više vanjskog izduženja vlakana za vraćanje pune otpornosti na koroziju.

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

Temperatura žarenja za G-30 je 1,177 stepeni (2,150 stepeni F) uz preporuku gašenja vodom, iako je brzo hlađenje zrakom izvodljivo za strukture tanje od 10 mm (0,375 in) - kategorija koja uključuje većinu debljina stijenke cijevi isparivača-. G-30 je tvrđi od austenitnog nehrđajućeg čelika i lakše se stvrdnjava, što je direktno bitno za operacije savijanja i širenja cijevi tokom proizvodnje snopa i treba ga planirati u proizvodnom slijedu.

Koje su praktične konstrukcijske i radne granice za cijevi isparivača G-30?

G-30 radi pouzdano u cijelom rasponu koncentracije P2O5 od 30-54% i do 121 stepen u stvarnoj mokroj-procesnoj kiselini, ali dizajneri bi trebali tretirati lokaliziranu kontaminaciju kloridima - ne masu kiselinu - kao vladajuće ograničenje specifičnog dizajna za oštru {1} oštru brzinu{1} Podaci o klorovodičnoj kiselini G-30 pokazuju pri određenim kombinacijama srednje koncentracije i temperature.

Tabela hlorovodonične kiseline kompanije Haynes International pokazuje da se stope korozije naglo povećavaju pri nekim srednjim uslovima -, na primjer, 2,5% HCl na 93 stepena (200 stepeni F) skače na 4,23 mm/god, a ključanje od 2-2,5% HCl dostiže 9,5% HCl {{7}12} daleko iznad{7}}12}{8}{8 mm{6}. dobro-ponašane stope i na nižim i na višim koncentracijama u blizini. Ova vrsta nemonotonog ponašanja je podsjetnik da dijagrame izo-korozije i tabele koncentracije treba čitati pri stvarnoj, lokalnoj hemiji kiseline koja se očekuje na zidu cijevi (uključujući sve efekte koncentracije od ključanja ili isparavanja direktno na površini), a ne samo pri nominalnoj koncentraciji procesa u rasutom stanju.

• Upute za dizajn i rad:Pratite nivoe nečistoća klorida i slobodne-sumporne-kiseline u procesnoj kiselini, budući da ove - ne nominalne koncentracije P2O5 - zapravo izazivaju rizik od korozije cijevi.
• Upute za dizajn i rad:Zakažite periodično mehaničko čišćenje i inspekciju ispod kamenca i naslaga, budući da se prag korozije u pukotinama G-30 (25-45 stepeni u ubrzanim testovima) može približiti svuda gdje zarastanje koncentrira kloride lokalno.
• Upute za dizajn i rad:Izbjegavajte dizajne koji koncentrišu hlorovodoničnu kiselinu lokalno u rasponu od 2-3% na povišenoj temperaturi, gdje vlastiti podaci G-30 pokazuju nesrazmjeran skok brzine korozije.
• Upute za dizajn i rad:Tamo gdje je prijenos sumporne kiseline neobično visok ili se redovno približava koncentraciji od 90% na zidu cijevi, procijenite Alloy 625 ili HASTELLOY G-35 kao konzervativniju alternativu.
• Upute za dizajn i rad:Ponovno{0}}žarenje cijevi nakon operacija hladnog-formiranja ili savijanja koje prelaze oko 7% vanjskog-izduženja vlakana za potpuno vraćanje otpornosti na koroziju prije puštanja u rad.

Često postavljana pitanja

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

A: Visok sadržaj hroma u G{{1}30 je otporan na oksidirajući karakter kontaminacije mokrog-procesa fosfornom kiselinom i azotnom-kiselinom, dok je sadržaj molibdena i bakra otporan na nečistoću sumporne kiseline prisutne u svakom mokrom{7}}toku procesa. Haynes International navodi cijevi za isparivanje P2O5 kao jednu od dvije primarne primjene legure, podržane i ispitivanjem reagensa-i pravim mokrim procesom sa kiselinom.

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

A: Da. Podaci o ključaloj fosfornoj kiselini na nivou reagensa - pokazuju da stopa korozije G-30 raste samo postepeno u rasponu koncentracije, zadržavajući se u rasponu od 0,1-0,2 mm/y oko 54-60% P2O5 - u okviru prihvatljivog dizajna.

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

A: Korozija udubljenja i pukotina ispod kamenca i naslaga uzrokovana hloridom-, a ne ravnomjeran napad kiseline na čistu površinu. Standardni ubrzani testovi pokazuju G-30 pragove korozije i korozije u pukotinama na 25-55 stepeni, zbog čega periodično čišćenje i pregled zaprljanja ostaju važni bez obzira na izbor legure.

P: Da li je Hastelloy G-30 bolji od legure 625 za isparivače fosforne kiseline?

A: Zavisi koja nečistoća dominira. Uporedni podaci kompanije Haynes International pokazuju da je G-30 ispred 625 u hlorovodoničnoj kiselini, ali 625 ima blagu prednost u sumpornoj kiselini. Tamo gdje je prijenos sumporne kiseline neuobičajeno visok, 625 ili HASTELLOY G-35 s višim sadržajem hroma može biti konzervativnija specifikacija.

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

A: Generalno ne. Objavljeni podaci za-metal-u odnosu na-prerađeni podaci pokazuju samo malu razliku u većini stanja sumporne i klorovodične kiseline relevantnih za servis isparivača, pri čemu i metal šava i kovani osnovni metal pokazuju podudarno, hemijom{4}}podstaknuto povećanje samo u najtežim uvjetima testiranog (90% sulfuric acid).

P: Kakva je toplotna provodljivost G-30 u poređenju sa drugim materijalima cevi razmenjivača toplote?

A: Toplotna provodljivost G-30 (oko 10 W/m· stepen na sobnoj temperaturi) je znatno niža od legura bakra i ugljeničnog čelika, tako da prostor{5}}prenosa toplote mora biti odgovarajuće veličine. U praksi se to djelomično nadoknađuje jer otpornost na koroziju G-30 omogućava tanji zid cijevi nego što bi manje otporna legura bila potrebna za isti vijek trajanja.