Katere zlitine za opremo za kemično obdelavo?

Izbira napačne zlitine za opremo za kemično obdelavo lahko privede do katastrofalne okvare, dragih izpadov in resnih varnostnih nevarnosti. Ta vodnik odgovarja na kritično inženirsko vprašanje: katere zlitine so najprimernejše za opremo za kemično obdelavo?

Ocenjujemo deset široko uporabljenih zlitin -, ki obsegajo vrste nerjavnega jekla, zlitine-na osnovi niklja in titana - glede na korozijsko odpornost, mehansko zmogljivost, okolja uporabe in stroške. Povsod so na voljo tabele z objektivnimi podatki, ki podpirajo-odločanje na podlagi informacij.

Zakaj je izbira zlitin pomembna pri kemični obdelavi

Obrati za kemično predelavo obdelujejo nekatere najbolj agresivne snovi na zemlji - koncentrirane kisline, jedke alkalije, oksidativne pline in-slanice, bogate s halidi. Oprema, kot so reaktorji, izmenjevalniki toplote, hranilniki, cevovodi, ventili in stebri, morajo biti odporni proti koroziji 15–30 let neprekinjenega delovanja.

Slaba izbira zlitine povzroča:

Enakomerna korozija - splošno tanjšanje sten posode

Jamičasta korozija - lokalizirano prodiranje v klorid-bogati medij

Razpoke zaradi napetostne korozije (SCC) - nenadna krhka odpoved pod natezno obremenitvijo + korozivno okolje

Napad korozije v špranjah - v zaprtih prostorih, kot so površine prirobnic in pod tesnili

Galvanska korozija -, ko so različne kovine v električnem stiku v elektrolitu

Po podatkih NACE International (zdaj AMPP) korozija svetovno kemično in petrokemično industrijo stane približno 170 milijard USD na leto. Izbira materialov je edini najučinkovitejši način za zmanjšanje teh stroškov.

Ključna merila za izbiro zlitin

Pri določanju zlitine za kemično uporabo inženirji ocenjujejo naslednje dejavnike:

Odpornost proti koroziji

Zlitina mora prenesti specifične korozivne medije brez nesprejemljive izgube materiala v celotni življenjski dobi opreme. Ustrezne meritve vključujejo:

Stopnja korozije (mm/leto ali mil na leto, mpy)

Ekvivalentno število odpornosti proti luknjičastim luknjam (PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N) - višji PREN kaže boljšo odpornost proti luknjičastim kloridom

Kritična temperatura luknjanja (CPT) in kritična temperatura špranje (CCT)

Mehanske lastnosti

Oprema mora izpolnjevati zahteve kod-za tlak (ASME, EN 13480, PED). Kritični mehanski podatki vključujejo: mejno natezno trdnost (UTS), mejo tečenja, raztezek in trdoto.

Temperaturno območje

Povišane temperature pospešijo korozijo in zmanjšajo dovoljene napetosti. Številne zlitine imajo najvišjo delovno temperaturo v kemičnih medijih pod njihovimi metalurškimi mejami.

Izdelljivost

Zlitine morajo biti varljive, obdelovalne in oblikovane v geometrije tlačnih posod. Zlasti nikljeve zlitine zahtevajo posebne postopke varjenja (oddelek IX ASME).

Skupni stroški lastništva (TCO)

Stroški materiala so le en element. TCO vključuje namestitev, pregled, vzdrževanje inizognili stroškom izpadov. Reaktorska posoda Hastelloy C-276 lahko stane 4× več kot 316L SS, vendar zdrži 5× dlje pri delu s klorovodikovo kislino, kar zagotavlja vrhunski TCO.

Hitra-primerjava referenčnih zlitin

Tabela 1 ponuja hiter-pregled desetih zlitin, ki so običajno določene za opremo za kemično obdelavo. Za podrobne podatke glejte tabele 2–4 spodaj.

Tabela 1|Alloy Quick{1}}Reference Guide - Oprema za kemično obdelavo. Ocene primernosti proti koroziji so splošne smernice; vedno preverite s testiranjem korozijskega kupona ali objavljenimi diagrami izokorozije za specifične medije, koncentracije in temperature.

Zlitine iz nerjavnega jekla za kemično obdelavo

Nerjavna jekla so zlitine železa-kroma, ki vsebujejo najmanj 10,5 % kroma. Krom reagira s kisikom in tvori pasivni film kromovega oksida (Cr₂O₃), ki se samo-poškoduje. Dodani so molibden, nikelj in dušik za izboljšanje odpornosti proti koroziji.

Nerjaveče jeklo 304 in 304L (UNS S30400 / S30403)

■ Splošni-delovni konj

Vrsta 304je najbolj razširjeno nerjavno jeklo na svetu. Z 18 % Cr in 8 % Ni se dobro obnese v rahlo korozivnih vodnih okoljih, živilski-storitvi, farmacevtski proizvodnji in izpostavljenosti atmosferi. Različica L (304L) ima omejeno vsebnost ogljika (manj kot ali enako 0,03 %) za zmanjšanje preobčutljivosti med varjenjem in preprečevanje interkristalne korozije.

Vendar 304 ni primeren za medije, ki- vsebujejo kloride nad koncentracijami v sledovih, niti za klorovodikovo ali žveplovo kislino v pomembnih koncentracijah. To je pogosta napaka pri specifikaciji v rastlinah, ki kasneje doživijo hitro luknjičasto ali SCC.

Nerjaveče jeklo 316 in 316L (UNS S31600 / S31603)

■ Najpogosteje uporabljena vrsta v kemični industriji

Dodatek 2–3 % molibdena v 316 bistveno izboljša odpornost proti kloridnim luknjičastim luknjam v primerjavi z 304 in zagotavlja boljše delovanje v okolju z razredčeno žveplovo, fosforno in ocetno kislino. PREN približno 24 ga naredi za industrijsko uporabo za kemične storitve.

316L SS je standard konstrukcije za farmacevtske reaktorje, procesne cevi za ocetno kislino, toplotne izmenjevalnike-hlajene z morsko vodo in skladiščenje razredčene kisline. Ni primeren za uporabo s klorovodikovo kislino pri kateri koli pomembni koncentraciji.

Nerjaveče jeklo 317L (UNS S31703)

■ Višja vsebnost molibdena za izboljšano odpornost na kloride

317L vsebuje 3–4 % molibdena in več niklja kot 316L, s čimer je PREN višji od 30. Pogosto je opredeljen kot nadgradnja 316L v obratih za beljenje, opremi za celulozo in papir ter pri storitvah z razredčenim kloridom. 317L nudi nekoliko boljšo odpornost proti koroziji ob skromni višji ceni v primerjavi s 316L.

Nerjaveče jeklo 904L (UNS N08904)

■ Visok{0}}zmogljiv avstenit za žveplovo kislino

904L je visoko{1}}legirano avstenitno nerjavno jeklo s 4–5 % molibdena, 23–28 % niklja in približno 1,5 % bakra. Razvit je bil posebej za delo z žveplovo kislino in zagotavlja odlično odpornost na H₂SO₄ v širokem območju koncentracij pri sobni temperaturi. Njegov PREN ~37 ga uvršča v isto ligo kot 6-odstotni Mo super{11}}avstenitni razred.

904L je stroškovno{1}}učinkovit za cevi za žveplovo kislino, izmenjevalnike toplote in rezervoarje za shranjevanje, kjer bi bili razredi Alloy 20 ali Hastelloy preveč-predpisani.

Nikljeve zlitine za kemično predelavo

Zlitine-na osnovi niklja ponujajo vrhunsko odpornost proti koroziji v primerjavi z nerjavnimi jekli, zlasti v zelo agresivnih okoljih, kot so koncentrirane kisline, redukcijski mediji in visoko{1}}temperaturne kemične storitve. Imajo precejšnjo stroškovno premijo -, običajno 4–8x ceno 316L SS -, vendar so pogosto edina tehnično izvedljiva možnost.

Zlitina 20 (UNS N08020) - "Carpenter 20"

■ Specialist za žveplovo kislino

Zlitina 20je bil zasnovan posebej za storitve z žveplovo kislino. Njegova sestava - 20% Cr, 29% Ni, 2,5% Mo, 3,5% Cu, uravnotežena v železu - zagotavlja izjemno odpornost proti H₂SO₄ v skoraj vseh koncentracijah pri sobnih do zmernih temperaturah. Dodatek bakra je ključnega pomena za njegovo učinkovitost pri zmanjšanju žveplove kisline v okoljih.

Zlitina 20 se pogosto uporablja v opremi za luženje z žveplovo kislino, rezervoarjih za shranjevanje kemikalij, procesnih sistemih za fosforno kislino in proizvodnji eksplozivov. Predstavlja ekonomičen most med nerjavnim jeklom in dražjimi nikljevimi zlitinami.

Hastelloy C-276 (UNS N10276)

■ Industry Benchmark za storitve hude korozije

Hastelloy C276je ena najbolj{0}}odpornih zlitin, ki so na voljo za gradnjo kemičnih obratov. Njegova visoka vsebnost molibdena (15–17 %) in volframa (3–4,5 %) zagotavlja izjemno odpornost proti luknjičasti koroziji, razpokani koroziji in razpokanju zaradi napetostne korozije v izjemno širokem spektru kemikalij.

C-276 je primarna zlitina izbire za pralnike za razžveplanje dimnih plinov (FGD), procesno opremo za klorovodikovo kislino, sisteme za mokro kloriranje, ravnanje z odpadnimi kislinami in posode za farmacevtsko sintezo. Njen PREN približno 70 je med najvišjimi med vsemi komercialnimi zlitinami.

Hastelloy C-22 (UNS N06022)

■ Vrhunsko v mešanih oksidacijskih/redukcijskih okoljih

C-22 ima več kroma (22 %) in nekoliko manj molibdena kot C-276. Ta sestava daje C-22 prednost pred C-276 v oksidacijskih okoljih in uporabi z mešanimi kislinami (npr. mešanice HNO3 + HCl, kromova kislina). C-22 ima pogosto prednost pri farmacevtski sintezi API in aplikacijah okoljskega inženiringa, kjer naletimo na spremenljive, mešane kemijske pogoje.

Inconel 625 (UNS N06625)

■ Odpornost na-visoke temperature in utrujenost

Inconel 625pridobi svojo moč iz kombinirane trdne{0}}ojačitve niobija in molibdena v nikelj-kromovi matrici. Odporen je na ciklično toplotno utrujenost, ima odlično kriogeno žilavost in ohranja trdnost pri temperaturah do približno 815 stopinj.

Pri kemični obdelavi je 625 določen za cevi izmenjevalnika toplote v agresivnih okoljih, procesno opremo na morju in v morju, cevi za vbrizgavanje kemikalij in kondenzatorje,-hlajene z morsko vodo. Zaradi njegovega PREN ~51 je zelo odporen proti luknjanju v morski vodi in procesnih tokovih,-ki vsebujejo halide.

Monel 400 (UNS N04400)

■ Izbira storitve fluorovodikove kisline

Monel 400je nikljev-bakrova zlitina (67 % Ni, 23–28 % Cu) z edinstveno kombinacijo lastnosti: odlična odpornost na fluorovodikovo kislino pri skoraj vseh koncentracijah, odpornost na morsko vodo in slanico ter dobre mehanske lastnosti v širokem temperaturnem območju.

Monel 400 jeprednostna zlitina za enote za alkiliranje fluorovodikove kislinepri rafiniranju nafte, opremi za shranjevanje HF kisline in ravnanje z njo, pomorski strojni opremi in oskrbi s pitno vodo. Nikoli se ne sme uporabljati v prisotnosti oksidativnih kislin, kot je dušikova kislina.

Titan za opremo za kemično obdelavo

Komercialno čisti titan (razreda 1 in 2) in titanove zlitine tvorijo izjemno stabilen, samo{2}}celilni pasivni film TiO₂, ki zagotavlja izjemno odpornost proti koroziji v oksidativnih okoljih. Razred 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) razširi to odpornost na blago reducirajoče pogoje.

Ključne prednosti titana pri kemični uporabi so njegova odlična odpornost na mokri klor, hipoklorit, klorirane slanice in dušikovo kislino. Njegova nizka gostota (4,5 g/cm³) je približno polovica manjša od gostote nikljevih zlitin, kar omogoča prihranek teže v velikih tlačnih posodah. Vendar pa titan napadajo fluorovodikova kislina, močno redukcijske kisline in brezvodni pogoji, zato je med varjenjem potrebno posebno ravnanje.

Primerjava mehanskih lastnosti

Vsa oprema za kemično obdelavo mora biti zasnovana v skladu z veljavnimi predpisi za tlačne posode. Tabela 2 prikazuje minimalne mehanske lastnosti po standardih ASTM pri sobni temperaturi. Načrtovano dovoljene napetosti morajo izvirati iz oddelka II-D ASME BPVC ali enakovrednega.

Tabela 2|Tipične minimalne mehanske lastnosti pri sobni temperaturi (po ustreznih standardih ASTM: A240, A276, B574, B575, B443, B127, B265). Dejanske vrednosti se lahko razlikujejo glede na obliko izdelka in toplotno obdelavo. Potrdite s poročili o preskusu materiala (MTR).

Priročnik za izbiro kemičnega okolja

Tabela 3 preslika običajne procesne kemikalije v najustreznejše izbire zlitin in označi kritična opozorila za vsako okolje. Ta tabela je namenjena kot orodje za pregledovanje; pred končno specifikacijo je bistvenega pomena podrobna ocena korozije z uporabo diagramov izokorozije in podatkov o dobavitelju.

Tabela 3|Izbira zlitine glede na kemijsko okolje. Podatki temeljijo na objavljenih podatkih o koroziji NACE International, ASM Handbook Vol. 13 in tehnični literaturi dobaviteljev zlitin. Temperatura, koncentracija in nivoji nečistoč pomembno vplivajo na zmogljivost zlitine - vedno izvajajte-testiranje na določenem mestu.

Ekvivalentna števila odpornosti proti udarcem (PREN)

PREN (Ekvivalentno število odpornosti proti luknjičastim koreninam) je izračunani indeks, ki se uporablja za razvrščanje teoretične odpornosti zlitine na klorid-inducirano luknjičasto korozijo. Formula je:

PREN=%Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

Višji PREN pomeni večjo odpornost proti luknjanju. Zlitine s PREN > 40 so razvrščene kot "super zlitine" zaradi odpornosti proti luknjam. Samo PREN ne predvideva odpornosti proti vsem oblikam korozije - režna korozija, SCC in enakomerna korozija zahtevata ločeno oceno.

Tabela 4|Ekvivalentna števila odpornosti proti luknjanju (PREN) za zlitine, ki se običajno uporabljajo v opremi za kemično obdelavo. Vrednosti PREN so izračunane iz nominalnih sestav; dejanske vrednosti se razlikujejo glede na toplotno kemijo. PREN ne predvideva SCC, enakomerne korozije ali odpornosti v redukcijskih okoljih.

Premisleki glede izdelave in varjenja

Izbira materiala se ne konča s specifikacijo zlitine. Način, kako je zlitina izdelana v opremi, kritično vpliva-na korozijsko učinkovitost pri uporabi.

Izdelava iz nerjavečega jekla

Za zmanjšanje tveganja preobčutljivosti med varjenjem uporabite nizko{0}}ogljične (L) ali stabilizirane razrede (321, 347).

Toplotna obdelava po-varju (PWHT) je redko potrebna za avstenitno nerjaveče jeklo, vendar je za debele dele priporočljivo žarjenje v raztopini

Izogibajte se kontaminaciji z železom - potrebno je namensko orodje, krtače in brusi

Po izdelavi je treba izvesti pasivacijo po ASTM A380 / A967

Izdelava nikljeve zlitine

Nikljeve zlitine se -hitro strdijo - uporabljajo ostro orodje, nižje hitrosti in večje pomike kot pri nerjavnem jeklu

Pri varjenju je treba uporabiti ujemajoče se ali preveč ujemajoče se dodajne kovine (npr. ERNiCrMo-4 za C-276)

Previdno nadzorujte dovod toplote, da čim bolj zmanjšate preobčutljivost-prizadete cone (HAZ).

Predgretje na splošno ni potrebno; žarjenje raztopine po-varju izboljša odpornost proti koroziji v kritičnem delu

Izdelava titana

Varite le v inertni atmosferi (pršenje z argonom ali helijem) - onesnaženje s kisikom in dušikom povzroči krhkost

Vroče-oblikovanje nad 480 stopinj zahteva inertno atmosfero za preprečitev oksidacije ('ognjeni kamen')

Titan je združljiv z večino dodajnih kovin iz nerjavnega jekla in nikljevih zlitin v pladiranih aplikacijah

Ustrezni standardi in specifikacije

Oprema, ki uporablja te zlitine, mora ustrezati priznanim kodeksom in standardom. Najpogosteje omenjeni vključujejo:

Materialni standardi (ASTM)

A240 / A240M - Plošča iz nerjavečega jekla za tlačne posode

A276 / A276M - Palica in oblike iz nerjavečega jekla

B574 / B575 - Hastelloy C-276 in C-22 plošča, list, trak

B443 / B444 - Inconel 625 plošča in cev

B127 / B163 - Monel 400 plošča in cev

B265 - Trak, plošča in plošča iz titana

Oblikovalske kode

ASME BPVC oddelek VIII (Div. 1 & 2) - Negoreče tlačne posode (ZDA)

EN 13445 - Negoreče tlačne posode (Evropa)

NACE MR0103 / ISO 17945 - Materiali, odporni na razpoke zaradi sulfidne napetostne korozije pri rafiniranju nafte

NACE SP0169 - Nadzor zunanje korozije na podzemnih cevovodih

Pogosto zastavljena vprašanja

V: Katera je najboljša zlitina za opremo za žveplovo kislino?

For sulfuric acid across all concentrations, Alloy 20 is the most cost-effective choice. For hot, concentrated H₂SO₄ (>60%, > 60 stopinj), Hastelloy C-276 ali C-22 zagotavlja vrhunsko delovanje. 904L SS je učinkovit za razredčeno H₂SO₄ pri sobni temperaturi.

V: Ali lahko za klorovodikovo kislino uporabim nerjaveče jeklo 316L?

No. 316L nerjavno jeklo ni odporno na klorovodikovo kislino (HCl) pri nobeni pomembni koncentraciji. HCl povzroča hitro luknjičasto korozijo, špransko korozijo in SCC v avstenitnih nerjavnih jeklih. Hastelloy C-276 je industrijski standard za storitve HCl.

V: Kaj je PREN in zakaj je pomemben?

PREN (Ekvivalentno število odpornosti proti luknjičastim luknjam) je izračunan indeks, ki razvršča odpornost zlitine proti luknjičastim kloridom glede na vsebnost kroma, molibdena in dušika. Višji PREN=boljša odpornost proti luknjicam. To je presejalno orodje -, ki ne nadomešča dejanskega testiranja korozije.

V: Ali je titan ali Hastelloy C-276 boljši za uporabo klora?

Obe zlitini sta odlični za delo s klorom, vendar ustrezata različnim pogojem. Titanium Grade 2 je prednosten za moker klor in klorirano vodo do ~315 stopinj. Hastelloy C-276 je prednosten za okolja z mešano kislino/klorom, kjer so lahko prisotni redukcijski pogoji.

V: Kako pri nakupu preverim kakovost zlitine?

Vedno zahtevajte poročilo o preskusu materiala (MTR / Mill Certificate) po EN 10204 tipa 3.1 ali 3.2. Za kritične storitve dopolnite s PMI (pozitivno identifikacijo materiala) z analizatorji XRF ali OES in preverite certifikacijo materiala ASTM/ASME.

Zaključek

Izbira prave zlitine za opremo za kemično obdelavo je kritična inženirska odločitev z neposrednimi posledicami za varnost obrata, zanesljivost in skupne stroške lastništva. Deset zlitin, pregledanih v tem priročniku - od stroškovno-učinkovitega nerjavečega jekla 304L do visoko{4}}zmogljivega Hastelloy C-276 - pokriva veliko večino kemičnih delovnih okolij, ki se pojavljajo v sodobnih procesnih obratih.

Ključni dejavniki odločitve so jasni: podrobno razumejte svoje kemijsko okolje (koncentracija, temperatura, nečistoče, pH), uporabite podatke v tabelah 1–4 kot orodje za pregledovanje in nato potrdite z izokorozijskimi diagrami, publikacijami NACE in, kjer je to mogoče, testiranjem s kuponi v dejanskem toku procesa.

Če ste v dvomih, se posvetujte s kvalificiranim inženirjem za materiale ali tehnično ekipo dobavitelja zlitin. Stroški ustrezne specifikacije materialov so majhen del stroškov okvare opreme.