Hastelloy G-30 в испарителях фосфорной кислоты: данные о производительности трубок теплообменника

Почему Hastelloy G-30 предназначен для трубок испарителя фосфорной кислоты?

Химический состав G-30 - с высоким содержанием хрома, умеренным содержанием молибдена и добавкой меди - был специально разработан для борьбы со специфическим сочетанием загрязнений, обнаруженных в фосфорной кислоте, получаемой мокрым способом, и компания Haynes International называет трубки испарителя P2O5 одним из двух основных применений сплава.

Источник: паспорт номинального состава Haynes International, сплав HASTELLOY G-30.

Высокое содержание хрома придает G-30 сильную устойчивость к окислительному характеру влажной-технологической кислоты, а также к азотной кислоте и смесям азотной-кислоты, а добавки молибдена и меди придают ему умеренную устойчивость к восстанавливающим кислотам, таким как соляная и серная -, которые оба присутствуют в качестве примесей в коммерческой фосфорной кислоте. Haynes International также отмечает, что G-30 менее подвержен коррозионному растрескиванию под действием хлоридов, чем аустенитные нержавеющие стали, которые он обычно заменяет в этой области применения, что имеет непосредственное значение для пучков труб, которые подвергаются повторяющимся термическим циклам во время запуска и остановки испарителя.

Что делает влажную-технологическую фосфорную кислоту такой коррозийной для трубок испарителя?

Мокрая-фосфорная кислота вызывает коррозию главным образом из-за того, что в ней растворено, а не из-за самой фосфорной кислоты: непрореагировавшая серная кислота, ионы металлов, ионы фтора, ионы хлорида и взвешенные частицы, такие как кремнезем, - все они перемещаются вместе с P2O5, и из них ионы хлорида являются доминирующим фактором электрохимического воздействия, которое определяет срок службы трубки.

Фосфорная кислота «мокрого-процесса» производится путем реакции фосфоритной руды с серной кислотой, и в полученном виде она содержит только около 30% P2O5 из-за большого объема промывной воды, необходимой для отделения ее от побочного продукта сульфата кальция. Ионы фтора имеют тенденцию образовывать устойчивые комплексы с ионами металлов в растворе и поэтому менее агрессивны по отношению к материалам трубок, чем ионы хлорида, которые сильно влияют на электрохимические реакции между кислотой и поверхностью металла. Вот почему выбор сплава для трубок испарителя в большей степени зависит от стойкости к хлоридной -питтинговой и щелевой- коррозии, чем только от номинальной концентрации фосфорной кислоты.

В процессе испарения концентрация P2O5 обычно повышается примерно с 30% до примерно 54% ​​на нескольких ступенях испарителя. Сама по себе более высокая концентрация предполагает более высокую коррозионную активность, но Haynes International отмечает, что этот эффект частично компенсируется тем, что уровни примесей -, включая наиболее важные хлориды -, имеют тенденцию падать по мере того, как кислота становится более концентрированной.

Как G-30 работает в настоящей мокрой-технологической кислоте, а не только в кислоте реагентного качества?

Haynes International подкрепляет свои лабораторные данные реагентной-классности полевыми-репрезентативными испытаниями, проведенными в реальной мокрой-технологической кислоте, поставляемой производителем фосфатов из Флориды при трех реальных производственных концентрациях (36 %, 48 % и 54 % P2O5) и температуре 121 градус (250 градусов по Фаренгейту), непосредственно сравнивая G-30 с конкурирующими нержавеющими сталями в условиях, намного более близких к рабочему испарителю, чем к химическим сортам. тест из стакана.

Это различие имеет значение для любого, кто указывает материал трубки из таблицы технических данных: таблицы коррозии реагентной-класса (используемые в этой статье из-за их точности и повторяемости) изолируют влияние только концентрации кислоты и температуры, тогда как настоящая влажная-технологическая кислота добавляет фторид, хлорид, сульфат и твердые частицы, описанные выше. Решение Haynes International провести специальное исследование реальной-кислоты при соответствующих производственных-концентрациях является важным элементом комплексной проверки, и именно поэтому G-30 имеет подлинный, проверенный на практике послужной список в этом применении, а не чисто теоретический.

Данные независимых полевых и опытных-установок, представленные в патентах на фосфорную-кислотную технологию, добавляют еще одну, более долгосрочную-точку данных для более широкого семейства сплавов Hastelloy G: в ходе испытаний на разложение фосфоритной руды рабочее колесо из сплава Hastelloy G зафиксировало скорость коррозии 6,67 мил в год против 8,35 мил в год у сплава 625 при одном наборе условий варочного котла и 11,71. MPy против 15,77 MPY для 625 в условиях более высокого-окислительного-потенциала. Эти цифры описывают общий сплав семейства G-, а не G-30 в частности, но они подтверждают тот же вывод, который показывают собственные данные Хейнса: сплавы никеля и железа семейства G-никель-хорошо выдерживают сопротивление 625 в реальных условиях производства фосфорной кислоты, а не только в лаборатории.

Как меняется скорость коррозии G-30 при повышении концентрации кислоты во время испарения?

Скорость коррозии G-30 в кипящей фосфорной кислоте неуклонно возрастает с концентрации от 50% до 85%, но остается низкой и управляемой (0,01-0,84 мм/год) во всем диапазоне, который видит линия испарителей, включая конечную точку примерно 54% ​​P2O5, типичную для коммерческой концентрации мокрого процесса.

Источник: таблица коррозии фосфорной кислоты реагента Haynes International-, паспорт сплава HASTELLOY G-30.

Поскольку большинство коммерческих линий мокрого-процесса нацелены на конечную концентрацию около 54 % P2O5, разработчики трубок могут ожидать, что скорость коррозии реагентной степени G-30 будет находиться в диапазоне 0,1-0,2 мм/год в этой конечной точке -, что находится в пределах комфортного допуска на коррозию для расчетного срока службы трубки в несколько десятилетий, без учета дополнительного риска локализованной коррозии из-за хлоридов, о котором говорится ниже.

Чем G-30 отличается от 316L, 254SMO и сплава 625 в кислотах, важных для испарителей?

Собственные сравнительные графики Haynes International показывают, что G-30 опережает нержавеющую сталь 316L и 254SMO как в соляной, так и в серной кислоте, а также опережает сплав 625, особенно в соляной кислоте, но Хейнс прямо заявляет, что линия 0,1 мм/год G-30 находится немного выше, чем линия 625 в серной кислоте, а это означает, что 625 имеет небольшое преимущество там, где загрязнение серной кислотой является доминирующим.

Это полезные и честные данные для принятия решений по спецификациям: G-30 не всегда превосходит все конкурирующие сплавы по всем кислотам, которые может видеть испаритель. Если доминирующей примесью является серная кислота, перенесенная со стадии-разложения породы, сплав 625 (или более высокий-хром HASTELLOY G-35, описанный в сопутствующей статье этой серии) может обеспечить небольшой дополнительный запас. В то время как кислота ближе к чистому мокрому процессу с ее характерной нагрузкой хлоридов, баланс хрома, молибдена и меди в G-30 дает ей реальное преимущество как перед нержавеющими сталями, так и перед сталью 625, в частности, в соляной кислоте.

Какова устойчивость G-30 к точечной и щелевой коррозии под отложениями?

В ходе двух стандартных ускоренных испытаний, используемых для имитации условий-загрязнения хлоридами - Зеленая смерть и Желтая смерть - G-30 сначала показывает точечную коррозию при 55 градусах и образование щелей при 45 градусах (Зеленая смерть) или 25 градусах (Желтая смерть), что является именно тем режимом отказа, которому больше всего подвержены пучки трубок испарителя, поскольку на поверхности трубок накапливаются накипь и твердые частицы.

Источник: данные Haynes International о точечной и щелевой коррозии (24-часовые испытания), паспорт сплава HASTELLOY G-30.

Это единственный наиболее оперативный набор данных в этой статье. Объемная кислотостойкость, как показано в таблицах концентраций выше, описывает то, что происходит с чистой поверхностью трубки, равномерно подвергающейся воздействию текущей кислоты. В реальных трубках испарителя накапливается накипь, отложения сульфата кальция и застойные зоны на перегородках и опорных пластинах, - условия, которые локально концентрируют хлориды и могут вызвать точечную коррозию или образование трещин значительно ниже номинальной рабочей температуры основного объема кислоты. Порог щелевой коррозии G-30, составляющий 25–45 градусов, представляет собой значимый количественный предел выше типичных рабочих температур испарителя для многих конструкций, но он также подчеркивает, почему периодическая механическая очистка и проверка отложений остаются стандартной практикой независимо от выбора сплава.

Устойчив ли G-30 к хлоридному коррозионному растрескиванию при эксплуатации в испарителе?

Да - в стандартном тесте с кипящим 45 % хлоридом магния (ASTM G36),G-30сопротивлялся растрескиванию в течение 168 часов, что примерно в семь раз дольше, чем у 254SMO, и в 84 раза дольше, чем у 316L, и превзошел по характеристикам два никелевых сплава сравнения («28» и «31»), протестированных вместе с ним.

Источник: данные Haynes International по коррозионному растрескиванию под напряжением- (кипящее 45 % MgCl2, ASTM G36), паспорт сплава HASTELLOY G-30.

Устойчивость к SCC имеет значение для пучков труб испарителя, поскольку они сочетают в себе два из трех компонентов. SCC требует - материала, подверженного растягивающим напряжениям (в результате термоциклирования, прокатки в трубную решетку или остаточных сварочных напряжений), подвергающихся воздействию хлоридной-подшипниковой среды. Порог G-30 составляет примерно 168 часов при испытании, гораздо более суровом, чем типичные условия эксплуатации, что дает разработчикам труб существенный, количественный запас прочности по сравнению с нержавеющими сталями, которые чаще всего рассматриваются как более дешевые альтернативы.

Как сварка влияет на коррозионную стойкость-шва и труб--трубной решетки?

Скорость коррозии всех-сварных- металлов G-30 остается близкой к деформируемому основному металлу в большинстве условий серной и соляной кислоты, применимых при эксплуатации испарителя, за исключением 90%-ной серной кислоты, где как металл сварного шва, так и деформируемый основной металл демонстрируют резкий одинаковый рост -, что означает, что увеличение там отражает настоящий химический предел, а не слабость, специфичную для сварного шва.

Источник: данные Haynes International по коррозии всего-сварного-металла (многопроходная-крестообразная сварка GMAW) в сравнении с деформируемым основным-металлом, таблица данных сплава HASTELLOY G-30.

Для пучков труб испарителя, изготовленных из сварных труб (ASTM B619/B626) или требующих сварки труб-с-трубной решеткой, эти данные поддерживают указание G-30 без снижения номинальных характеристик для зон сварки в большинстве кислых условий, для которых предназначен сплав. Результат с содержанием серной кислоты 90% является напоминанием о том, что G-30, как и G-35, не является правильным выбором, если унос серной кислоты на заводе регулярно достигает этой концентрации у стенок трубы - условие, при котором труба из G-35 с более высоким содержанием хрома или 625 будет более консервативной спецификацией.

Как теплопроводность G-30 влияет на конструкцию трубки теплообменника?

Теплопроводность G-30 (около 10 Вт/м·градус при комнатной температуре, возрастающая примерно до 19-21 Вт/м·градус при 400-600 градусах) значительно ниже, чем у медных сплавов и даже углеродистой стали, поэтому -площадь теплопередачи и толщину стенки трубки-должны выбираться с учетом проводимости сплава, но этот компромисс существенно компенсируется очень тонкой допуск на коррозию G-30 по сравнению с более толстыми стенками, которые потребуются менее стойкому и более дешевому сплаву.

Источник: данные о физических свойствах Haynes International, паспорт сплава HASTELLOY G-30.

Это настоящий инженерный компромисс,-а не маркетинговый аргумент, который следует замалчивать: стенка никелевой-хромовой-железной трубы будет проводить тепло заметно менее эффективно, чем трубка из медного сплава сопоставимой-толщины или трубы из углеродистой стали, а тепловая конструкция теплообменника (количество трубок, длина или толщина стенки) должна учитывать это непосредственно при расчете-передачи тепла. На практике проектировщики испарителей компенсируют это, воспользовавшись преимуществами коррозионной стойкости G-30 и задав более тонкую стенку трубы, чем требуется для конструкции из углеродистой-стали или-сплава, что частично компенсирует потери-переноса тепла из-за более низкой проводимости, сохраняя при этом много-срок службы без запаса по толщине стенки-, который потребовался бы припуском на коррозию для менее стойкого материала.

Какие формы и стандарты трубок применяются к трубкам испарителя G-30?

Трубки испарителя G-30 доступны как в виде бесшовных трубок по ASTM/ASME B622/SB622, так и в виде сварных трубок по ASTM/ASME B619/B626 и SB619/SB626, поставляются -отожженными и должны быть повторно-отожжены после любой операции холодной-формовки или-гибки труб, при которой достигается 7% или большее удлинение внешнего волокна для восстановления полной коррозионной стойкости.

Источник: таблица «Технические характеристики и коды» Haynes International, паспорт сплава HASTELLOY G-30.

Температура отжига для G-30 составляет 1177 градусов (2150 градусов F) с рекомендуемой закалкой в ​​воде, хотя быстрое воздушное охлаждение возможно для конструкций толщиной менее 10 мм (0,375 дюйма) - (категория, которая включает большинство толщин стенок испарительных трубок-). G-30 более жесткий, чем аустенитные нержавеющие стали, и легче подвергается нагартовке, что имеет непосредственное значение для операций гибки и расширения труб во время изготовления пучков и должно быть запланировано в производственной последовательности.

Каковы практические характеристики и эксплуатационные ограничения трубок испарителя G-30?

G-30 надежно работает во всем диапазоне концентраций P2O5 30-54 % и при температуре до 121 градуса в реальной влажной-технологической кислоте, но проектировщикам следует учитывать локализованное загрязнение хлоридами -, а не объемную кислотную силу -, как определяющее ограничение конструкции, и следует особенно следить за резкими-пиками скорости коррозии, которые показывают собственные данные G-30 по соляной кислоте на определенных промежуточных уровнях. концентрационно-температурные комбинации.

Таблица соляной кислоты Haynes International показывает, что скорость коррозии резко возрастает при некоторых промежуточных условиях -, например, 2,5 % HCl при 93 градусах (200 градусах F) подскакивает до 4,23 мм/год, а кипящая 2-2,5 % HCl достигает 9,47-12,67 мм/год - намного выше, чем скорость скважины- при обоих нижних значениях. и более высокие концентрации поблизости. Такое немонотонное поведение является напоминанием о том, что диаграммы изокоррозии и таблицы концентрации следует читать при фактическом локальном химическом составе кислоты, ожидаемом на стенке трубы (включая любые эффекты концентрации от кипения или испарения непосредственно на поверхности), а не только при номинальной концентрации в объеме процесса.

• Руководство по проектированию и эксплуатации:Отслеживайте уровни примесей хлоридов и свободной-серной-кислоты в технологической кислоте, поскольку именно они -, а не номинальная концентрация P2O5 -, на самом деле являются причиной риска коррозии труб.
• Руководство по проектированию и эксплуатации:Запланируйте периодическую механическую очистку и проверку на наличие накипи и отложений, поскольку порог щелевой коррозии G-30 (25-45 градусов при ускоренных испытаниях) может быть достигнут везде, где загрязнение локально концентрирует хлориды.
• Руководство по проектированию и эксплуатации:Избегайте конструкций, в которых соляная кислота локально концентрируется в диапазоне 2-3% при повышенной температуре, где собственные данные G-30 показывают непропорциональный всплеск скорости коррозии.
• Руководство по проектированию и эксплуатации:Если унос серной кислоты необычно высок или регулярно достигает концентрации 90% у стенки трубы, рассмотрите сплав 625 или HASTELLOY G-35 как более консервативную альтернативу.
• Руководство по проектированию и эксплуатации:Повторно -отожгите трубы после операций холодной-формовки или гибки, если удлинение внешнего- волокна превышает примерно 7 %, чтобы полностью восстановить коррозионную стойкость перед вводом в эксплуатацию.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Почему для трубок испарителя фосфорной кислоты используется сплав Hastelloy G-30?

A: Высокое содержание хрома в G-30 противостоит окислительному характеру загрязнений фосфорной и азотной-кислоты мокрого-процесса, а содержание молибдена и меди противостоит примесям серной кислоты, присутствующим в каждом потоке мокрого-технологического процесса. Haynes International называет трубки испарителя P2O5 одним из двух основных применений сплава, что подтверждается как реагентной - степенью чистоты, так и реальными кислотными испытаниями в мокром процессе.

Вопрос: Сохраняется ли коррозионная стойкость G-30 при полной концентрации P2O5 54%, используемой в коммерческих испарителях?

A: Да. Данные по кипящей фосфорной кислоте реагентного-класса показывают, что скорость коррозии G-30 увеличивается лишь постепенно во всем диапазоне концентраций, оставаясь в диапазоне 0,1–0,2 мм/год (около 54–60 % P2O5 -), что вполне соответствует расчетному допуску.

Вопрос: Каков самый большой риск коррозии трубок G-30 при эксплуатации испарителя?

A: Хлоридная-точечная и щелевая коррозия под окалиной и отложениями, а не равномерное воздействие кислоты на чистую поверхность. Стандартные ускоренные испытания показывают, что пороги точечной и щелевой коррозии G-30 составляют 25–55 градусов, поэтому периодическая очистка и проверка на предмет загрязнения остаются важными независимо от выбора сплава.

Вопрос: Является ли Hastelloy G-30 лучше, чем сплав 625, для испарителей фосфорной кислоты?

A: Это зависит от того, какая примесь преобладает. Собственные сравнительные данные Haynes International показывают, что G-30 опережает 625 по соляной кислоте, но 625 удерживает небольшое преимущество по серной кислоте. Там, где унос серной кислоты необычно высок, более консервативной спецификацией может быть 625 или HASTELLOY G-35 с более высоким содержанием хрома.

Вопрос: Снижает ли сварка коррозионную стойкость G-30 при изготовлении трубок испарителя?

A: Вообще нет. Опубликованные данные по сварному-металлу-по сравнению с-деформируемым металлом показывают лишь небольшую разницу в большинстве условий серной и соляной кислоты, имеющих отношение к эксплуатации испарителя, при этом как металл сварного шва, так и деформируемый основной металл демонстрируют согласованное,-обусловленное химическим составом повышение только в самых суровых испытанных условиях (90% серная кислота).

Вопрос: Как теплопроводность G-30 отличается от теплопроводности других материалов трубок теплообменника?

A: Теплопроводность G-30 (около 10 Вт/м·градус при комнатной температуре) значительно ниже, чем у медных сплавов и углеродистой стали, поэтому площадь теплопередачи-должна выбираться соответствующим образом. На практике это частично компенсируется тем, что коррозионная стойкость G-30 позволяет использовать более тонкую стенку трубы, чем потребовалось бы для менее стойкого сплава для того же срока службы.