Hastelloy G-30 în evaporatoare cu acid fosforic: date de performanță a tubului schimbător de căldură

De ce este Hastelloy G-30 specificat pentru tuburile de evaporare a acidului fosforic?

Chimia G-30's - crom ridicat cu molibden moderat și un adaos de cupru - a fost proiectat în mod deliberat pentru a gestiona combinația specifică de contaminanți găsite în acidul fosforic de proces umed, iar Haynes International numește tuburile de evaporare P2O5 ca una dintre cele două aplicații principale ale aliajului.

Sursa: Fișa tehnică de compoziție nominală Haynes International, aliaj HASTELLOY G-30.

Conținutul ridicat de crom conferă G-30 rezistență puternică la caracterul oxidant al acidului de proces-umed și la amestecurile de acid azotic și acid-azotic, în timp ce adițiile sale de molibden și cupru îi conferă o rezistență moderată la acizii reducători, cum ar fi acidul clorhidric și sulfuric - prezenti ambii sub formă de impurități comerciale în acid fosforic. Haynes International observă, de asemenea, că G-30 este mai puțin susceptibil la fisurarea prin coroziune indusă de clorură decât oțelurile inoxidabile austenitice pe care le înlocuiește în mod obișnuit în acest serviciu, care contează direct pentru fasciculele de tuburi care înregistrează cicluri termice repetate în timpul pornirii și opririi evaporatorului.

Ce face ca acidul fosforic de proces umed-atât de corosiv pentru tubulatura evaporatorului?

Procesul umed{0}}acidul fosforic este coroziv în primul rând din cauza a ceea ce este dizolvat în el, nu a acidului fosforic în sine: acidul sulfuric nereacționat, ionii metalici, ionii de fluor, ionii de clorură și particulele în suspensie, cum ar fi siliciul, toate călătoresc împreună cu P2O5, iar dintre acestea, ionii de clorură determină atacul dominant al tubului electrochimic.

Acidul fosforic „-umed” este produs prin reacția rocii fosfatice cu acid sulfuric și, așa cum este produs, conține doar aproximativ 30% P2O5 din cauza volumului mare de apă de clătire necesar pentru a-l separa de produsul secundar sulfat de calciu. Ionii de fluor tind să formeze complexe stabili cu ionii metalici în soluție și, prin urmare, sunt mai puțin agresivi față de materialele tubulare decât ionii de clorură, care influențează puternic reacțiile electrochimice dintre acid și suprafața metalului. Acesta este motivul pentru care selecția aliajului pentru tubulatura de evaporator este determinată mai mult de rezistența la coroziune-spuneturi și crevaturi-de clorură decât de rezistența nominală a acidului fosforic numai.

În timpul procesului de evaporare, concentrația de P2O5 este de obicei crescută de la aproximativ 30% până la aproximativ 54% într-o serie de etape de evaporare. O concentrație mai mare ar sugera o corozivitate mai mare, dar Haynes International observă că acest efect este parțial compensat deoarece nivelurile de impurități - inclusiv clorurile care contează cel mai mult - tind să scadă pe măsură ce acidul devine mai concentrat.

Cum funcționează G-30 într-un proces umed-acid, nu doar cu acid de calitate reactiv?

Haynes International își susține datele de laborator de calitate-reactivilor cu teste-reprezentative de teren efectuate în proces umed-acid furnizat de un producător de fosfat din Florida la trei concentrații reale de producție (36%, 48% și 54% P2O5) și 121 de grade (250 de grade G3{11} comparativ cu oțelul inoxidabil sub competiție), sub oțel inoxidabil. condiții mult mai apropiate de un evaporator în funcțiune decât de un test cu pahar de reactiv.

Această distincție contează pentru oricine care specifică materialul tubului dintr-o fișă de date: tabelele de coroziune cu gradul de reactiv-(utilizate în acest articol pentru precizia și repetabilitatea lor) izolează numai efectul concentrației acidului și al temperaturii, în timp ce acidul real de proces-umed adaugă încărcătura de fluor, clor, sulfat și particule discutate mai sus. Decizia Haynes International de a efectua o comparație dedicată-acidelor reale la concentrații relevante-de producție este o piesă semnificativă de due diligence și de aceea G{-30 are un istoric autentic, validat pe teren în această aplicație, mai degrabă decât unul pur teoretic.

Datele independente de câmp și instalații pilot raportate în brevetele de proces cu acid fosforic-adaugă un alt punct de date, pe termen lung-pentru familia mai largă de aliaje Hastelloy G: în studiile de digestie cu roci fosfatice, un rotor din aliaj Hastelloy G a înregistrat o rată de coroziune de 6,67 mils pe an față de aliaje de 6,67 mils pe an, sub un set de aliaj de 6235 mils pe an. condiții și 11,71 mpy față de 15,77 mpy pentru 625 într-o condiție cu potențial de-oxidare-mai mare. Aceste cifre descriu aliajul general din familia G-mai degrabă decât G-30 în mod specific, dar ele coroborează aceeași concluzie direcțională pe care o arată datele lui Haynes: aliajele din familia G-nichel-crom-fier rezistă bine față de 625 în mediile reale de producție a acidului fosforic, nu doar în mediile de producție a acidului fosforic.

Cum se modifică rata de coroziune a lui G-30 pe măsură ce concentrația de acid crește în timpul evaporării?

Rata de coroziune G-30 în acidul fosforic în fierbere crește constant de la 50% la 85% concentrație, dar rămâne scăzută și gestionabilă (0,01-0,84 mm/an) pe întregul interval pe care îl va vedea trenul de evaporator, inclusiv punctul final de aproximativ 54% P2O5 tipic pentru concentrația comercială umedă.

Sursă: Tabel de coroziune a acidului fosforic pentru reactiv-Haynes International, fișă de date despre aliaj HASTELLOY G-30.

Deoarece majoritatea trenurilor comerciale de proces umed vizează o concentrație finală în jur de 54% P2O5, proiectanții de tuburi se pot aștepta ca rata de coroziune de gradul G-30 de reactiv-să se situeze în intervalul de 0,1-0,2 mm/an la acel punct - mult într-o toleranță confortabilă de coroziune pentru o durată de viață suplimentară a tubului de corodare localizată, pentru o durată suplimentară de corodare localizată, pentru o durată de viață a tubului de corodare multiplă. cloruri discutate mai jos.

Cum se compară G-30 cu 316L, 254SMO și aliajul 625 în acizi relevanți pentru evaporator?

Diagramele comparative proprii ale Haynes International plasează G-30 înaintea oțelului inoxidabil 316L și 254SMO atât în acid clorhidric, cât și în acid sulfuric și înaintea aliajului 625, în special în acid clorhidric - dar Haynes afirmă direct că linia de 0,1 mm/an a lui G-30 este ușor mai mare decât în acidul sulfuric, ceea ce înseamnă că este puțin mai mare decât în acidul sulfuric. are o margine mică oriunde contaminarea cu acid sulfuric este preocuparea dominantă.

Acesta este un punct de date util și onest pentru deciziile privind specificațiile: G-30 nu este universal înaintea fiecărui aliaj concurent în fiecare acid pe care îl poate vedea un evaporator. Acolo unde impuritatea dominantă este acidul sulfuric transportat din etapa de digestie a rocii, aliajul 625 (sau cromul HASTELLOY G-35 mai mare, acoperit într-un articol însoțitor din această serie) poate oferi o mică marjă suplimentară. Acolo unde acidul este mai aproape de chimia pură a procesului umed cu încărcătura sa caracteristică de clorură, echilibrul G-30 de crom, molibden și cupru îi oferă un avantaj real atât față de oțelurile inoxidabile, cât și față de 625 în acid clorhidric în mod specific.

Ce este rezistența G-30 la depuneri și coroziune în crăpături?

Conform celor două teste accelerate standard utilizate pentru a simula clorură-condiții murdare - Green Death și Yellow Death - G-30 arată mai întâi pitting la 55 de grade și un atac de crăpătură la 45 de grade (Green Death) sau 25 de grade (Yellow Death), care este exact modul de construcție a tubului evaporator expus cel mai mult la scara solidă și evaporator. sus pe suprafața tubului.

Sursa: date Haynes International despre coroziune cu pitting și crevase (teste de 24 de ore), fișă tehnică a aliajului HASTELLOY G-30.

Acesta este cel mai relevant set de date din acest articol. Rezistența la acid în vrac, așa cum se arată în tabelele de concentrație de mai sus, descrie ce se întâmplă cu o suprafață curată a tubului expusă uniform la curgerea acidului. Tuburile de evaporare reale acumulează depuneri de calcar, depuneri de sulfat de calciu și zone de stagnare la deflectoarele și plăcile de susținere - condiții care concentrează clorurile la nivel local și pot declanșa atacul de sâmburi sau crăpături cu mult sub temperatura nominală de funcționare a acidului în vrac. Pragul de coroziune a fisurilor G-30 de 25-45 de grade este o marjă semnificativă, cuantificată peste temperaturile obișnuite de funcționare a evaporatorului pentru multe modele, dar subliniază, de asemenea, de ce curățarea mecanică periodică și inspecția sub depuneri rămâne o practică standard, indiferent de selecția aliajului.

Este G-30 rezistent la fisurarea prin coroziune sub tensiune în clorură în serviciul evaporatorului?

Da - în testul standard de fierbere cu 45% clorură de magneziu (ASTM G36),G-30a rezistat la crăpare timp de 168 de ore, de aproximativ șapte ori mai lung decât 254SMO și de 84 de ori mai mult decât 316L și a depășit două aliaje de nichel („28” și „31”) testate alături de acesta.

Sursa: date despre fisurarea prin coroziune la tens-Haynes International (fierbere 45% MgCl2, ASTM G36), fișă tehnică a aliajului HASTELLOY G-30.

Rezistența SCC contează pentru fasciculele de tuburi de evaporator, deoarece combină două dintre cele trei ingrediente. SCC necesită - un material susceptibil la tensiuni de tracțiune (de la ciclul termic, rularea în placa tubulară sau efortul rezidual de sudură) expus la un mediu de rulment-clorură. Pragul G-30 de aproximativ 168 de ore într-un test mult mai sever decât condițiile obișnuite de funcționare oferă proiectanților de tuburi o marjă de siguranță substanțială și cuantificată față de oțelurile inoxidabile cel mai adesea considerate alternative cu costuri mai mici.

Cum afectează sudarea rezistența la coroziune a tubului-Cusătura și tubul-la-foaia de tub?

Rata de coroziune a metalelor sudate G-30 de ani-sudate-să se apropie de metalul de bază forjat în majoritatea condițiilor de acid sulfuric și clorhidric relevante pentru funcționarea evaporatorului, cu excepția acidului sulfuric 90%, în care atât metalul sudat, cât și metalul de bază forjat prezintă o creștere bruscă, egală, ceea ce înseamnă că o creștere a chimiei este mai degrabă decât o limită. slăbiciune specifică sudurii.

Sursa: Haynes International toate-sudatul-metal (cruci-multi-GMAW cruciform) vs. date despre coroziunea metalului de bază-forjat, fișă de date despre aliaj HASTELLOY G-30.

Pentru fasciculele de tuburi de evaporator fabricate din tuburi sudate (ASTM B619/B626) sau care necesită suduri din tub-la-foi de tub, aceste date acceptă specificarea G-30 fără o reducere generală pentru zonele de sudură în majoritatea condițiilor acide pentru care este destinat aliajul. Rezultatul cu acid sulfuric de 90% reamintește că G-30, ca și G-35, nu este alegerea potrivită dacă transportul de acid sulfuric al unei plante atinge în mod regulat această concentrație la peretele tubului - o condiție în care 625 sau un tub G-35 cu crom mai mare ar fi specificația mai conservatoare.

Cum afectează conductibilitatea termică a lui G-30 designul tubului schimbătorului de căldură?

Conductivitatea termică G-30 (aproximativ 10 W/m· grade la temperatura camerei, crescând la aproximativ 19-21 W/m· grade la 400-600 grade ) este cu mult sub cea a aliajelor de cupru și chiar a oțelului carbon, așa că zona de transfer de căldură-conductivitate{9} trebuie să fie conductivă{9} cu pereții grosi a aliajului{9} rețineți - dar acest compromis este compensat substanțial de toleranța de coroziune foarte subțire permisă de G-30 în comparație cu pereții mai groși de care ar avea nevoie un aliaj mai puțin rezistent și mai ieftin.

Sursa: Datele privind proprietatea fizică Haynes International, fișa tehnică a aliajului HASTELLOY G-30.

Acesta este un veritabil schimb de inginerie-, nu un punct de marketing pe care să-l strălucim: un perete de tub de fier cu nichel-crom-conduce căldura în mod semnificativ mai puțin eficient decât un aliaj de-oțel carbon sau aliaj de cupru cu grosime comparabilă, iar designul termic al schimbătorului de căldură (numărul tubului, lungimea sau grosimea peretelui) transferă în mod direct calculul{4} de căldură. În practică, proiectanții de evaporatoare au compensat acest lucru profitând de rezistența la coroziune a lui G-30 pentru a specifica un perete al tubului mai subțire decât ar necesita un design-oțel carbon sau un aliaj-inferior, care recuperează parțial penalizarea-transferului de căldură de la o conductivitate mai scăzută, oferind totuși o durată de viață a peretelui{11}2}{11}{1}{1}{11}{1}{1} de coroziune. alocația pe un material mai puțin rezistent ar cere.

Ce forme și standarde de produse tubulare se aplică tuburilor de evaporare G-30?

Tubul de evaporator G-30 este disponibil atât ca tub fără sudură conform ASTM/ASME B622/SB622, cât și ca tub sudat conform ASTM/ASME B619/B626 și SB619/SB626, este furnizat moar-recoacet și ar trebui să fie re{9}}recoace{10} operațiune de îndoire-tubului care produce 7% sau mai multă alungire a fibrei exterioare pentru a restabili rezistența totală la coroziune.

Sursa: Tabelul „Specificații și coduri” Haynes International, fișa tehnică a aliajului HASTELLOY G-30.

Temperatura de recoacere pentru G-30 este de 1.177 de grade (2.150 de grade F) cu stingerea cu apă recomandată, deși răcirea rapidă cu aer este fezabilă pentru structuri mai subțiri de 10 mm (0,375 inchi) - o categorie care include majoritatea grosimilor de perete{{11}tuburilor de evaporare. G-30 este mai rigid decât oțelurile inoxidabile austenitice și se întărește mai ușor, ceea ce contează direct pentru operațiunile de îndoire și expansiune a tuburilor în timpul fabricării pachetului și ar trebui planificat în secvența de fabricație.

Care sunt designul practic și limitele de funcționare pentru tuburile de evaporare G-30?

G-30 funcționează fiabil în întreaga gamă de concentrații de 30-54% P2O5 și până la 121 de grade în acidul procesului umed-real, dar proiectanții ar trebui să trateze contaminarea localizată cu clorură - nu rezistența acidului în vrac - ca o constrângere de proiectare guvernantă și ar trebui să urmărească în mod specific stropirea{11} pentru coroziune. Datele proprii ale acidului clorhidric G-30 arată la anumite combinații intermediare de concentrație și temperatură.

Tabelul de acid clorhidric al lui Haynes International arată ratele de coroziune care cresc brusc în unele condiții intermediare -, de exemplu, 2,5% HCI la 93 de grade (200 de grade F) sare la 4,23 mm/an, iar fierbere 2-2,5% HCI ajunge cu mult peste 9,412 9.47-12.672,5% {1{7}}} mm/a peste 9,412 -}} mm. ratele de{11}}comportare corectă atât la concentrații mai mici, cât și la cele mai mari din apropiere. Acest tip de comportament non-monoton este un memento că diagramele de izo-coroziune și tabelele de concentrație trebuie citite la chimia acidă locală reală așteptată la peretele tubului (inclusiv orice efecte de concentrație de la fierbere sau evaporare chiar la suprafață), nu doar concentrația nominală a procesului în vrac.

• Ghid de proiectare și operare:Urmăriți nivelurile de impurități de clorură și acid-sulfuric-liber din acidul procesului, deoarece acestea - nu concentrația nominală de P2O5 - sunt cele care determină de fapt riscul de coroziune a tubului.
• Ghid de proiectare și operare:Programați curățarea mecanică periodică și inspecția sub depuneri și depuneri, deoarece pragul de coroziune a crăpăturilor G-30 (25-45 de grade în testele accelerate) poate fi abordat oriunde murdărirea concentrează clorurile la nivel local.
• Ghid de proiectare și operare:Evitați modelele care concentrează acidul clorhidric local în intervalul de 2-3% la temperatură ridicată, unde datele proprii ale lui G-30 arată o creștere disproporționată a vitezei de coroziune.
• Ghid de proiectare și operare:Acolo unde transportul de acid sulfuric este neobișnuit de mare sau se apropie în mod regulat de concentrația de 90% la peretele tubului, evaluați Alloy 625 sau HASTELLOY G-35 ca o alternativă mai conservatoare.
• Ghid de proiectare și operare:Re-recoacerea țevilor după operațiuni de-formare sau îndoire la rece care depășesc aproximativ 7% alungirea-fibrelor exterioare pentru a restabili complet rezistența la coroziune înainte de punere în funcțiune.

Întrebări frecvente

Î: De ce este folosit Hastelloy G-30 pentru tuburile de evaporare a acidului fosforic?

A: Conținutul ridicat de crom al lui G-30 rezistă caracterului oxidant al contaminarii cu acid fosforic-umed și acid-azotic, în timp ce conținutul său de molibden și cupru rezistă impurităților de acid sulfuric prezente în fiecare flux-de proces umed. Haynes International denumește tuburile de evaporare P2O5 drept una dintre cele două aplicații principale ale aliajului, susținută atât de testarea cu reactiv-, cât și de testarea acidului real în proces umed.

Î: Rezistența la coroziune a lui G-30 rezistă la concentrația totală de 54% P2O5 utilizată în evaporatoarele comerciale?

A: Da. Datele cu acid fosforic la fierbere de gradul de reactiv- arată că viteza de coroziune a lui G-30 crește doar treptat în intervalul de concentrație, rămânând în intervalul 0,1-0,2 mm/an în jurul valorii de 54-60% P2O5 -, în limitele unei toleranțe de proiectare confortabile.

Î: Care este cel mai mare risc de coroziune pentru tuburile G-30 în serviciul evaporatorului?

A: Coroziune cauzată de clorură-săbituri și crăpături sub depuneri și depuneri, atacul acid nu este uniform pe o suprafață curată. Testele standard accelerate arată pragurile G-30 de pitting și coroziune în crăpături la 25-55 de grade, motiv pentru care curățarea și inspecția periodică în caz de murdărie rămân importante indiferent de aliajul ales.

Î: Hastelloy G-30 este mai bun decât aliajul 625 pentru evaporatoarele de acid fosforic?

A: Depinde ce impuritate domină. Datele comparative proprii ale Haynes International arată G-30 înaintea 625 în acidul clorhidric, dar 625 dețin un ușor avantaj în acid sulfuric. Acolo unde transportul de acid sulfuric este neobișnuit de mare, 625 sau HASTELLOY G-35 cu crom mai mare poate fi specificația mai conservatoare.

Î: Sudarea reduce rezistența la coroziune a lui G-30 în fabricarea tubului de evaporator?

A: In general nu. Datele-metal-de sudură-versă-forjate arată doar o mică diferență în majoritatea condițiilor de acid sulfuric și clorhidric relevante pentru funcționarea evaporatorului, atât metalul de sudură, cât și metalul de bază forjat prezentând o creștere corelată, determinată de-chimie, numai la starea cea mai gravă testată (acid sulfuric de 90%).

Î: Cum se compară conductivitatea termică a lui G-30 cu alte materiale tubulare pentru schimbătorul de căldură?

A: Conductivitatea termică G-30 (aproximativ 10 W/m· grad la temperatura camerei) este mult sub aliajele de cupru și oțel carbon, așa că zona de transfer de căldură- trebuie dimensionată corespunzător. În practică, acest lucru este parțial compensat, deoarece rezistența la coroziune a lui G-30 permite un perete al tubului mai subțire decât ar avea nevoie un aliaj mai puțin rezistent pentru aceeași durată de viață.