Hastelloy G-30 v uparjalnikih s fosforno kislino: podatki o zmogljivosti cevi izmenjevalnika toplote

Zakaj je Hastelloy G-30 določen za cevi za uparjanje s fosforno kislino?

Kemija G-30 - z visoko vsebnostjo kroma z zmerno vsebnostjo molibdena in dodatkom bakra - je bila namenoma zasnovana za obvladovanje specifične kombinacije onesnaževal, ki jih najdemo v fosforni kislini po mokrem postopku, in Haynes International imenuje cevi za uparjanje P2O5 kot eno od dveh glavnih aplikacij te zlitine.

Vir: Haynes International list s podatki o nominalni sestavi, zlitina HASTELLOY G-30.

Visoka vsebnost kroma daje G-30 močno odpornost proti oksidacijskemu značaju kisline mokrega-postopka ter mešanicam dušikove kisline in dušikove-kisline, medtem ko dodatki molibdena in bakra zagotavljajo zmerno odpornost na redukcijske kisline, kot sta klorovodikova in žveplova -, ki sta obe prisotni kot nečistoče v komercialni fosforni kislini. Haynes International ugotavlja tudi, da je G-30 manj dovzeten za razpoke zaradi napetostne korozije, ki jih povzroči klorid, kot avstenitna nerjavna jekla, ki jih običajno nadomešča pri tej storitvi, kar je neposredno pomembno za cevne snope, ki doživljajo ponavljajoče se toplotne cikle med zagonom in zaustavitvijo uparjalnika.

Zakaj je fosforjeva kislina po mokrem{0}}postopku tako jedka za cevi uparjalnika?

Fosforjeva kislina-po mokrem postopku je jedka predvsem zaradi tega, kar je v njej raztopljeno, in ne same fosforne kisline: nereagirana žveplova kislina, kovinski ioni, fluoridni ioni, kloridni ioni in suspendirani delci, kot je silicijev dioksid, se vsi premikajo skupaj s P2O5, od teh pa so kloridni ioni prevladujoče gonilo elektrokemičnega napada, ki določa življenjsko dobo cevi.

Fosforna kislina po »mokrem -postopku« nastane z reakcijo fosfatne kamnine z žveplovo kislino in kot proizvedena vsebuje le okoli 30 % P2O5 zaradi velike količine vode za izpiranje, ki je potrebna za ločevanje od stranskega produkta kalcijevega sulfata. Fluoridni ioni ponavadi tvorijo stabilne komplekse s kovinskimi ioni v raztopini in so zato manj agresivni do materialov cevi kot kloridni ioni, ki močno vplivajo na elektrokemične reakcije med kislino in kovinsko površino. Zato je izbira zlitine za cevje uparjalnika bolj odvisna od-odpornosti proti koroziji-na kloridne luknjice in razpoke kot samo zaradi nazivne jakosti kisline v fosforni kislini.

Med postopkom izhlapevanja se koncentracija P2O5 običajno dvigne od približno 30 % do približno 54 % v vrsti stopenj uparjalnika. Sama višja koncentracija bi nakazovala večjo jedkost, vendar Haynes International ugotavlja, da je ta učinek delno izravnan, ker ravni nečistoč - vključno z najpomembnejšimi kloridi - padajo, ko postaja kislina bolj koncentrirana.

Kako se G-30 obnese v pravi kislini mokrega-postopka, ne le v kislini stopnje reagenta?

Haynes International podpira svoje laboratorijske podatke za-razrednost reagentov s terenskim-reprezentativnim testiranjem, izvedenim v dejanski kislini po mokrem-postopku, ki jo je dobavil proizvajalec fosfatov s Floride, pri treh dejanskih proizvodnih koncentracijah (36 %, 48 % in 54 % P2O5) in 121 stopinj (250 stopinj F), neposredno primerjavo G-30 s konkurenčnimi nerjavnimi jekli pod pogoji, ki so veliko bližji delujočemu uparjalniku kot test v čaši z reagentno kakovostjo.

To razlikovanje je pomembno za vse, ki določajo material cevi na podatkovnem listu: tabele stopnje korozije reagentov- (ki se zaradi natančnosti in ponovljivosti uporabljajo v tem članku) izolirajo samo učinek koncentracije kisline in temperature, medtem ko prava kislina mokrega-postopka doda obremenitev fluorida, klorida, sulfata in delcev, o katerih smo govorili zgoraj. Odločitev Haynes International, da izvede namensko primerjavo dejanskih-kislin pri proizvodnih-relevantnih koncentracijah, je pomemben del potrebne skrbnosti in zato ima G-30 pristne, na terenu potrjene rezultate v tej aplikaciji in ne le teoretične.

Neodvisni terenski podatki in podatki o pilotnem-obratu, navedeni v patentih za proces s fosforno{1}}kislino, dodajajo nadaljnjo, dolgoročnej-podatkovno točko za širšo družino zlitin Hastelloy G: v preskušanjih razgradnje fosfatne kamnine je propeler iz zlitine Hastelloy G zabeležil stopnjo korozije 6,67 mil na leto v primerjavi z 8,35 mil na leto pri zlitini 625 pod enim nizom pogojev digestorja in 11,71 mpy proti 15,77 mpy za 625 pod pogoji višjega-oksidacijskega-potenciala. Te številke opisujejo splošno zlitino družine G-ne posebej G-30, vendar potrjujejo isti smerni zaključek, ki ga kažejo Haynesovi lastni podatki: Zlitine G-družine niklja-kroma in železa se dobro držijo proti 625 v dejanskih okoljih proizvodnje fosforne kisline, ne le v laboratoriju.

Kako se stopnja korozije G-30 spreminja, ko koncentracija kisline narašča med izhlapevanjem?

Stopnja korozije G-30 v vreli fosforni kislini enakomerno narašča od 50 % do 85 % koncentracije, vendar ostaja nizka in obvladljiva (0,01–0,84 mm/leto) v celotnem razponu, ki ga vidi niz uparjalnikov, vključno s približno 54 % končno točko P2O5, ki je značilna za koncentracijo komercialnega mokrega postopka.

Vir: Haynes International reagent-tabela korozije fosforne kisline, podatkovni list zlitin HASTELLOY G-30.

Ker večina komercialnih mokrih{0}}procesov cilja na končno koncentracijo okrog 54 % P2O5, lahko načrtovalci cevi pričakujejo, da bo stopnja korozije stopnje reagenta G-30-v območju 0,1-0,2 mm/leto na tej končni točki - kar je v okviru udobne korozijske vrednosti za večdesetletno življenjsko dobo cevi, preden upoštevajo dodatno nevarnost lokalne korozije zaradi kloridov, obravnavana spodaj.

Kako se G-30 primerja s 316L, 254SMO in zlitino 625 v kislinah, pomembnih za uparjalnik?

Lastni primerjalni grafikoni Haynes International postavljajo G-30 pred nerjavno jeklo 316L in 254SMO v klorovodikovi in žveplovi kislini ter pred zlitino 625, zlasti v klorovodikovi kislini – vendar Haynes neposredno navaja, da je črta G-30 0,1 mm/leto nekoliko višja od 625 v žveplovi kislini, kar pomeni 625 ima majhno prednost povsod, kjer je kontaminacija z žveplovo kislino prevladujoča skrb.

To je uporabna, poštena podatkovna točka za odločitve o specifikacijah: G-30 ni vsesplošno pred vsako konkurenčno zlitino v vsaki kislini, ki jo lahko vidi uparjalnik. Kjer je prevladujoča nečistoča žveplova kislina, ki se prenaša iz-stopnje prebave kamnine, lahko zlitina 625 (ali HASTELLOY G-35 z več-kromom, obravnavan v spremljevalnem članku v tej seriji) ponudi majhno dodatno maržo. Kjer je kislina bližje čisti kemiji mokrega postopka s svojo značilno obremenitvijo klorida, ravnovesje kroma, molibdena in bakra G-30 daje resnično prednost pred nerjavnimi jekli in 625 posebej v klorovodikovi kislini.

Kakšna je odpornost G-30 na luknjičasto korozijo zaradi premajhnega nanosa in razpokano korozijo?

Pri dveh standardnih pospešenih preskusih, ki se uporabljata za simulacijo kloridnih-okvarjenih pogojev - Zelena smrt in Rumena smrt - G-30 najprej pokaže luknjanje pri 55 stopinjah in napad razpok pri 45 stopinjah (zelena smrt) ali 25 stopinj (rumena smrt), kar je natanko tisti način okvare, ki so mu snopi cevi uparjalnika najbolj izpostavljeni, saj se na cevi nabirajo vodni kamen in trdne snovi. površino.

Vir: Haynes International podatki o luknjičasti in razpokani koroziji (24-urni testi), podatkovni list zlitin HASTELLOY G-30.

To je edini operativno najustreznejši niz podatkov v tem članku. Odpornost proti kislinam v razsutem stanju, kot je prikazano v zgornjih tabelah koncentracije, opisuje, kaj se zgodi s čisto površino cevi, ki je enakomerno izpostavljena tekoči kislini. V pravih uparjalnih ceveh se nabirajo vodni kamen, usedline kalcijevega sulfata in stagnirna območja na pregradah in podpornih ploščah - pogoji, ki lokalno koncentrirajo kloride in lahko sprožijo napad lukenj ali rež precej pod nazivno delovno temperaturo kisline. Prag špranjske korozije G-30 25-45 stopinj je smiselna, kvantificirana meja nad tipičnimi delovnimi temperaturami uparjalnika za številne modele, vendar tudi poudarja, zakaj redno mehansko čiščenje in pregled pod usedlinami ostaja standardna praksa ne glede na izbiro zlitine.

Ali je G-30 odporen na razpoke zaradi kloridne napetostne korozije pri uporabi uparjalnika?

Da - pri standardnem preskusu vrelišča 45 % magnezijevega klorida (ASTM G36),G-30odporen proti pokanju 168 ur, kar je približno sedemkrat dlje kot 254SMO in 84-krat dlje kot 316L, in je bil boljši od dveh primerjalnih nikljevih zlitin ('28' in '31'), testiranih skupaj z njim.

Vir: podatki Haynes International-o korozijskem razpokanju (vrelišče 45 % MgCl2, ASTM G36), podatkovni list zlitine HASTELLOY G-30.

Odpornost proti SCC je pomembna za cevne snope uparjalnika, ker združujejo dve od treh sestavin. SCC zahteva - občutljiv material pod natezno obremenitvijo (od toplotnega cikla, valjanja v cevno ploščo ali preostale napetosti zvara), ki je izpostavljen okolju,-ki vsebuje klorid. Približno 168-urni prag G-30 v preizkusu, ki je veliko strožji od običajnih delovnih pogojev, daje oblikovalcem cevi znatno, kvantificirano varnostno rezervo v primerjavi z nerjavnimi jekli, ki se najpogosteje obravnavajo kot cenejša alternativa.

Kako varjenje vpliva na korozijsko odpornost cevi-šiva in-cevi-cevne pločevine?

Stopnje korozije vseh-zvarov-kovine G-30 ostanejo blizu kovane navadne kovine v večini pogojev z žveplovo in klorovodikovo kislino, ki so pomembni za uporabo uparjalnikov, z izjemo 90-odstotne žveplove kisline, kjer tako zvar kot kovina zvara kažeta strm, usklajen dvig -, kar pomeni, da povečanje odraža resnično kemijsko mejo in ne šibkost, značilna za zvar.

Vir: Haynes International podatki o koroziji vseh-varnih-kovin (več-križni GMAW) v primerjavi s kovano{4}}kovinsko korozijo, podatkovni list zlitin HASTELLOY G-30.

Za snope cevi uparjalnika, izdelane iz varjene cevi (ASTM B619/B626) ali ki zahtevajo zvare cevi-na-cevno ploščo, ti podatki podpirajo določitev G-30 brez splošnega zmanjšanja za varjena območja v večini kislih pogojev, za katere je zlitina namenjena. Rezultat 90-odstotne žveplove kisline je opomnik, da G-30, tako kot G-35, ni prava izbira, če žveplova kislina, ki jo prenaša rastlina, redno dosega to koncentracijo na steni cevi – pogoj, pri katerem bi bila cev 625 ali G-35 z več kroma bolj konzervativna specifikacija.

Kako toplotna prevodnost G-30 vpliva na zasnovo cevi izmenjevalnika toplote?

Toplotna prevodnost G-30 (približno 10 W/m· stopinj pri sobni temperaturi, ki naraste na približno 19-21 W/m· stopinj pri 400-600 stopinjah) je precej pod prevodnostjo bakrovih zlitin in celo ogljikovega jekla, zato morata biti območje-prenosa toplote in debelina stene-cevi prilagojena prevodnosti zlitine v mislih - vendar je ta kompromis bistveno izravnan z zelo tankim dodatkom za korozijo, ki ga dovoljuje G-30, v primerjavi z debelejšimi stenami, ki bi jih potrebovala manj odporna, cenejša zlitina.

Vir: podatki o fizični lastnosti Haynes International, podatkovni list o zlitini HASTELLOY G-30.

To je pristen inženirski kompromis-in ne trženjska točka, ki bi jo zamolčali: stena cevi iz niklja-kroma-železa bo prevajala toploto občutno manj učinkovito kot cev iz primerljive-debele bakrene zlitine ali ogljikovega jekla, toplotna zasnova izmenjevalnika toplote (število cevi, dolžina ali debelina stene) pa mora to upoštevati neposredno pri-prenosu toplote izračun. V praksi načrtovalci uparjalnikov to izravnajo tako, da izkoristijo odpornost proti koroziji G-30, da določijo tanjšo steno cevi, kot bi zahtevala zasnova iz ogljikovega-jekla ali nižje-zlitine, ki delno povrne-prenos toplote zaradi nižje prevodnosti, hkrati pa še vedno zagotavlja več-desetletno življenjsko dobo brez-debeline stene dodatek za korozijo na manj odpornem materialu.

Katere oblike izdelkov za cevi in ​​standardi veljajo za cevi uparjalnika G-30?

Cev za uparjalnik G-30 je na voljo kot brezšivna cev po ASTM/ASME B622/SB622 in kot varjena cev po ASTM/ASME B619/B626 in SB619/SB626, je dobavljena v mlin-žarjeni in jo je treba ponovno-žariti po vsakem hladnem{10}}oblikovanju ali postopek upogibanja cevi-, ki povzroči 7 % ali več raztezka zunanjih vlaken za ponovno vzpostavitev popolne odpornosti proti koroziji.

Vir: tabela "Specifikacije in kode" Haynes International, podatkovni list zlitine HASTELLOY G-30.

Temperatura žarjenja za G-30 je 1177 stopinj (2150 stopinj F) s priporočenim kaljenjem z vodo, čeprav je hitro zračno hlajenje izvedljivo za strukture, tanjše od 10 mm (0,375 palca) - kategorija, ki vključuje večino debelin sten-izparilnih cevi. G-30 je trši od avstenitnih nerjavnih jekel in se lažje strdi, kar je neposredno pomembno za postopke upogibanja in raztezanja cevi med izdelavo svežnja in bi ga bilo treba načrtovati v proizvodnem zaporedju.

Kakšne so praktične zasnove in omejitve delovanja za izparilne cevi G-30?

G-30 deluje zanesljivo v celotnem območju koncentracije 30-54 % P2O5 in do 121 stopinj v kislini dejanskega mokrega-postopka, vendar morajo načrtovalci obravnavati lokalno kontaminacijo s kloridom - in ne jakost kisline v razsutem stanju - kot glavno konstrukcijsko omejitev, in morajo posebej paziti na ostre skoke-stopnje korozije Lastni podatki o klorovodikovi kislini G-30 kažejo pri določenih vmesnih kombinacijah koncentracije in temperature.

Tabela s klorovodikovo kislino Haynes International kaže strmo naraščanje stopnje korozije pri nekaterih vmesnih pogojih - na primer 2,5 % HCl pri 93 stopinjah (200 stopinj F) skoči na 4,23 mm/leto, vreli 2-2,5 % HCl pa doseže 9,47-12,67 mm/leto - daleč nad dobro{11}}obnašane stopnje pri nižjih in višjih koncentracijah v bližini. Tovrstno nemonotono vedenje je opomnik, da je treba izokorozijske diagrame in koncentracijske tabele brati pri dejanski, lokalni kislinski kemiji, pričakovani na steni cevi (vključno z vsemi učinki koncentracije zaradi vrenja ali izhlapevanja neposredno na površini), ne le pri nominalni masi procesne koncentracije.

• Navodila za načrtovanje in delovanje:Sledite stopnjam nečistoč klorida in proste{0}}žveplove-kisline v procesni kislini, saj te - in ne nominalna koncentracija P2O5 - dejansko povzročajo tveganje korozije cevi.
• Navodila za načrtovanje in delovanje:Načrtujte redno mehansko čiščenje in inšpekcijo pod vodnim kamnom in usedlinami, saj se lahko prag korozije G-30 (25-45 stopinj pri pospešenih preskusih) približa povsod tam, kjer umazanija lokalno koncentrira kloride.
• Navodila za načrtovanje in delovanje:Izogibajte se zasnovam, ki lokalno koncentrirajo klorovodikovo kislino v območju 2-3 % pri povišani temperaturi, kjer lastni podatki G-30 kažejo nesorazmeren skok stopnje korozije.
• Navodila za načrtovanje in delovanje:Kjer je prenos žveplove kisline neobičajno visok ali se redno približuje 90-odstotni koncentraciji na steni cevi, ocenite Alloy 625 ali HASTELLOY G-35 kot bolj konzervativno alternativo.
• Navodila za načrtovanje in delovanje:Ponovno -žarite cev po postopkih hladnega-oblikovanja ali upogibanja, ki presežejo približno 7 % zunanjega{3}}raztezka vlaken, da v celoti obnovite odpornost proti koroziji pred zagonom.

Pogosto zastavljena vprašanja

V: Zakaj se Hastelloy G-30 uporablja za cevi uparjalnikov fosforne kisline?

A: Visoka vsebnost kroma v G-30 se upira oksidativnemu značaju kontaminacije z mokro-fosforno kislino in dušikovo-kislino, medtem ko njegova vsebnost molibdena in bakra upira nečistočam žveplove kisline, ki so prisotne v vsakem toku mokrega-postopka. Haynes International imenuje cevi za uparjanje P2O5 kot eno od dveh primarnih aplikacij zlitine, podprto z reagentno-stopnjo in resničnim testiranjem kisline z mokrim postopkom.

V: Ali G-30 vzdrži korozijsko odpornost pri polni 54-odstotni koncentraciji P2O5, ki se uporablja v komercialnih uparjalnikih?

A: ja Podatki o reagentno-vreli fosforni kislini kažejo, da stopnja korozije G-30 le postopoma narašča v območju koncentracije in ostaja v območju 0,1–0,2 mm/leto okoli 54–60 % P2O5 - v okviru udobnega dovoljenega načrta.

V: Kakšno je največje tveganje korozije za cevi G-30 pri servisiranju uparjalnikov?

A: Klor{0}}povzročena luknjičasta in razpokana korozija pod vodnim kamnom in usedlinami, neenakomerno delovanje kisline na čisto površino. Standardni pospešeni testi kažejo pragove luknjičaste in razpokane korozije G-30 pri 25–55 stopinjah, zato sta redno čiščenje in pregled pod umazanijo pomembna ne glede na izbiro zlitine.

V: Ali je Hastelloy G-30 boljši od Alloy 625 za uparjalnike fosforne kisline?

A: Odvisno katera nečistoča prevladuje. Lastni primerjalni podatki Haynes International kažejo, da je G-30 pred 625 v klorovodikovi kislini, vendar ima 625 rahlo prednost v žveplovi kislini. Kjer je prenos žveplove kisline neobičajno visok, je lahko bolj konzervativna specifikacija 625 ali HASTELLOY G-35 z večjo vsebnostjo kroma.

V: Ali varjenje zmanjša odpornost G-30 proti koroziji pri izdelavi cevi uparjalnika?

A: Na splošno št. Objavljeni podatki o zvar-kovini-v primerjavi-z obdelavo kažejo le majhno razliko med večino pogojev z žveplovo in klorovodikovo kislino, ki so pomembni za uporabo uparjalnikov, pri čemer zvar in kovina iz kovane navadne kovine kažeta usklajeno,-povzročeno povečanje le pri najstrožjih testiranih pogojih (90-odstotna žveplova kislina).

V: Kakšna je toplotna prevodnost G-30 v primerjavi z drugimi materiali cevi izmenjevalnika toplote?

A: Toplotna prevodnost G-30 (približno 10 W/m·stopinj pri sobni temperaturi) je precej nižja od bakrovih zlitin in ogljikovega jekla, zato je treba območje-prenosa toplote ustrezno dimenzionirati. V praksi je to delno izravnano, ker korozijska odpornost G-30 omogoča tanjšo steno cevi, kot bi jo potrebovala manj odporna zlitina za enako življenjsko dobo.