Hastelloy G-30 en evaporadors d'àcid fosfòric: dades de rendiment del tub d'intercanviador de calor

Per què s'especifica Hastelloy G-30 per als tubs d'evaporador d'àcid fosfòric?

La química dels anys 30 - crom alt amb molibdè moderat i una addició de coure - es va dissenyar deliberadament per gestionar la combinació específica de contaminants que es troben en l'àcid fosfòric de procés humit, i Haynes International anomena els tubs d'evaporador de P2O5 com una de les dues aplicacions principals de l'aliatge.

Font: Fitxa de composició nominal de Haynes International, aliatge HASTELLOY G-30.

L'alt contingut de crom dóna G-30 una forta resistència al caràcter oxidant de l'àcid de procés-humit i a les barreges d'àcid nítric i àcid-nítric, mentre que les seves addicions de molibdè i coure li donen una resistència moderada als àcids reductors com ara clorhídric i sulfúric - presents com a impureses comercials com a àcid fosfòric. Haynes International també assenyala que G-30 és menys susceptible a l'esquerda per corrosió per tensió induïda per clorur que els acers inoxidables austenítics que substitueix habitualment en aquest servei, que importa directament per als paquets de tubs que veuen cicles tèrmics repetits durant l'inici i l'aturada de l'evaporador.

Què fa que l'àcid fosfòric humit-procés sigui tan corrosiu per als tubs de l'evaporador?

L'àcid fosfòric de procés humit-és corrosiu principalment pel que hi ha dissolt, no pel propi àcid fosfòric: àcid sulfúric sense reaccionar, ions metàl·lics, ions fluor, ions clorur i partícules en suspensió com la sílice, tots junts amb el P2O5, i d'aquests, els ions clorur són els principals impulsors de la vida del tub electroquímic.

L'àcid fosfòric de "-procés humit" s'obté fent reaccionar la roca de fosfat amb àcid sulfúric i, tal com es produeix, només conté aproximadament un 30% de P2O5 a causa del gran volum d'aigua d'esbandit necessari per separar-lo del subproducte de sulfat de calci. Els ions fluor tendeixen a formar complexos estables amb ions metàl·lics en solució i, per tant, són menys agressius cap als materials del tub que els ions clorur, que influeixen fortament en les reaccions electroquímiques entre l'àcid i la superfície metàl·lica. És per això que la selecció d'aliatges per a tubs de l'evaporador està més impulsada per la resistència a la corrosió de clorur-picats i esquerdes- que només per la força nominal de l'àcid fosfòric de l'àcid.

Durant el procés d'evaporació, la concentració de P2O5 s'eleva normalment d'aproximadament un 30% fins a un 54% a través d'una sèrie d'etapes de l'evaporador. Només una concentració més alta suggeriria una corrosivitat més alta, però Haynes International assenyala que aquest efecte es compensa en part perquè els nivells d'impureses - inclosos els clorurs més importants - tendeixen a baixar a mesura que l'àcid es concentra més.

Com funciona el G-30 en un àcid de procés humit-real, no només amb un àcid de grau reactiu?

Haynes International recolza les seves dades de laboratori de grau{0}}reactiu amb proves de camp-representatives realitzades en àcid de procés humit-real subministrat per un productor de fosfat de Florida a tres concentracions de producció reals (36%, 48% i 54% P2O5) i 121 graus (250 graus G3{11} en comparació directa amb acers inoxidables inferiors a 250 graus G3{11}). condicions molt més properes a un evaporador en funcionament que una prova de vas de precipitats de grau reactiu.

Aquesta distinció és important per a qualsevol que especifiqui el material del tub a partir d'un full de dades: les taules de corrosió de grau -de reactius (utilitzades al llarg d'aquest article per la seva precisió i repetibilitat) aïllen només l'efecte de la concentració d'àcid i la temperatura, mentre que l'àcid de procés humit-autèntic afegeix la càrrega de fluor, clorur, sulfat i partícules esmentades anteriorment. La decisió de Haynes International d'executar una-comparació d'àcids reals a concentracions rellevants de producció- és una peça significativa de diligència deguda, i és per això que G-30 té un historial genuí i validat de camp en aquesta aplicació en lloc d'un de purament teòric.

Les dades de camp{0}}independents i de planta pilot reportades a les patents de processos d'àcid-fosfòric afegeixen un altre punt de dades a més llarg-terme per a la família d'aliatges Hastelloy G més àmplia: en els assajos de digestió de roques fosfatades, un impulsor d'aliatge Hastelloy G va registrar una taxa de corrosió de 6,67 mils per any en comparació d'aliatges de 6,67 mil·límetres per any per sota d'un conjunt d'aliatges de 6835 mil·límetres per any. condicions i 11,71 mpy contra 15,77 mpy per a 625 amb una condició de potencial-oxidació- més alta. Aquestes xifres descriuen l'aliatge general de la família G-en lloc del G-30 específicament, però corroboren la mateixa conclusió direccional que mostren les dades de Haynes: els aliatges de la família G-níquel-crom i ferro s'aguanten bé contra 625 en entorns de producció d'àcid fosfòric real, no només en els entorns de producció d'àcid fosfòric.

Com canvia la taxa de corrosió del G-30 a mesura que augmenta la concentració d'àcid durant l'evaporació?

La taxa de corrosió de G-30 en àcid fosfòric en ebullició augmenta constantment des del 50% fins al 85% de concentració, però es manté baixa i manejable (0,01-0,84 mm/a) en tot el rang que veurà un tren de l'evaporador, inclòs el punt final d'aproximadament 54% de P2O5 típic de la concentració humida comercial dels processos.

Font: taula de corrosió de l'àcid fosfòric de grau de reactiu-Haynes International, full de dades d'aliatge HASTELLOY G-30.

Atès que la majoria dels trens de procés humit-comercials tenen com a objectiu una concentració final al voltant del 54% de P2O5, els dissenyadors de tubs poden esperar que la taxa de corrosió del grau de reactiu G-30-se situï en el rang de 0,1-0,2 mm/any en aquest punt final - molt dins d'un límit de corrosió còmode per a un tub de corrosió localitzat i còmode per a una vida útil addicional del tub de corrosió multicorsada abans de tenir en compte el risc de corrosió local. clorurs tractats a continuació.

Com es compara el G-30 amb el 316L, el 254SMO i l'aliatge 625 en àcids rellevants per a l'evaporador?

Les pròpies parcel·les comparatives de Haynes International situen G-30 per davant de l'acer inoxidable 316L i 254SMO tant en àcid clorhídric com en àcid sulfúric, i per davant de l'aliatge 625 específicament en àcid clorhídric, però Haynes afirma directament que la línia de 0,1 mm/a de G-30 se situa una mica més alta que en àcid sulfúric, és a dir, lleugerament superior a l'àcid sulfúric. té un petit avantatge allà on la contaminació amb àcid sulfúric és la preocupació dominant.

Aquest és un punt de dades útil i honest per a les decisions d'especificació: G-30 no està universalment per davant de tots els aliatges competidors en tots els àcids que pugui veure un evaporador. Quan la impuresa dominant és l'àcid sulfúric transportat des de l'etapa de digestió de la roca, l'aliatge 625 (o el crom HASTELLOY G-35 superior-, cobert en un article complementari d'aquesta sèrie) pot oferir un petit marge addicional. Quan l'àcid està més a prop de la química del procés humit pur amb la seva càrrega de clorur característica, l'equilibri de crom, molibdè i coure de G-30 li dóna un avantatge real tant sobre els acers inoxidables com sobre el 625 en àcid clorhídric específicament.

Què és la resistència de G-30 a la corrosió de les esquerdes i a la corrosió de les esquerdes?

Sota les dues proves accelerades estàndard que s'utilitzen per simular les condicions de clorur-contaminació - Green Death i Yellow Death -, el G-30 mostra primer picat a 55 graus i un atac d'esquerdes a 45 graus (Green Death) o 25 graus (Yellow Death), que és exactament el mode de construcció de tubs més sòlids i l'evaporador exposat a l'escala més sòlida. a la superfície del tub.

Font: Dades de corrosió per picadura i escletxes de Haynes International (assaigs de 24 hores), full de dades d'aliatge HASTELLOY G-30.

Aquest és el conjunt de dades més rellevant operacionalment d'aquest article. La resistència a l'àcid a granel, tal com es mostra a les taules de concentració anteriors, descriu què passa amb una superfície de tub neta exposada uniformement a l'àcid que flueix. Els tubs evaporadors reals acumulen incrustacions, dipòsits de sulfat de calci i zones estancades als deflectors i plaques de suport - condicions que concentren els clorurs localment i poden desencadenar un atac de picats o esquerdes molt per sota de la temperatura de funcionament nominal de l'àcid a granel. El llindar de corrosió de les esquerdes de G-30 de 25-45 graus és un marge significatiu i quantificat per sobre de les temperatures típiques de funcionament de l'evaporador per a molts dissenys, però també subratlla per què la neteja i inspecció mecànica periòdica sota els dipòsits segueix sent una pràctica estàndard independentment de la selecció d'aliatge.

El G-30 és resistent a les esquerdes per corrosió per tensió de clorur al servei de l'evaporador?

Sí - a la prova estàndard d'ebullició al 45% de clorur de magnesi (ASTM G36),G-30va resistir l'esquerdament durant 168 hores, aproximadament set vegades més que el 254SMO i 84 vegades més que el 316L, i va superar dos aliatges de níquel comparatius ('28' i '31') provats al seu costat.

Font: dades d'esquerdes per corrosió per tensió-de Haynes International (ebullició al 45% de MgCl2, ASTM G36), full de dades d'aliatge HASTELLOY G-30.

La resistència a l'SCC és important per als feixos de tubs de l'evaporador perquè combinen dos dels tres ingredients. SCC requereix - un material susceptible a l'esforç de tracció (de cicles tèrmics, enrotllament a la làmina de tubs o tensió residual de soldadura) exposat a un entorn de coixinets de clorur-. El llindar d'aproximadament 168 hores de G{-30 en una prova molt més severa que les condicions típiques de servei ofereix als dissenyadors de tubs un marge de seguretat substancial i quantificat sobre els acers inoxidables que sovint es consideren alternatives de menor cost.

Com afecta la soldadura a la resistència a la corrosió del tub-costura i del tub-a-la làmina de tub?

Les taxes de corrosió de tots els metalls{-soldats-G{{-30's es mantenen a prop del metall base forjat en la majoria de les condicions d'àcid sulfúric i clorhídric rellevants per al servei de l'evaporador, amb l'excepció de l'àcid sulfúric al 90%, on tant el metall de soldadura com el metall base forjat mostren un augment pronunciat i igualat, el que significa que l'augment de la química en lloc d'un límit de la química debilitat específica de la soldadura.

Font: Haynes International tot-soldat-metall (multi-passe GMAW cruciforme) versus dades de corrosió-de metall base forjat, full de dades d'aliatge HASTELLOY G-30.

Per als paquets de tubs d'evaporador fabricats a partir de tubs soldats (ASTM B619/B626) o que requereixen soldadures de tub{2}}a-tub, aquestes dades admeten l'especificació de G-30 sense una reducció general per a zones de soldadura en la majoria de les condicions àcides a les quals està destinat l'aliatge. El resultat d'àcid sulfúric al 90% recorda que el G-30, com el G-35, no és l'opció correcta si el transport d'àcid sulfúric d'una planta arriba regularment a aquesta concentració a la paret del tub, una condició on 625 o un tub G-35 de crom més alt seria l'especificació més conservadora.

Com afecta la conductivitat tèrmica del G-30 al disseny del tub de l'intercanviador de calor?

La conductivitat tèrmica de G-30 (uns 10 W/m· grau a temperatura ambient, augmentant aproximadament a 19-21 W/m· grau a 400-600 graus) és molt per sota de la dels aliatges de coure i fins i tot de l'acer al carboni, de manera que l'àrea de transferència de calor-s'ha de tenir{9} l'àrea de transferència de calor{7}}conductivitat de gruix{9} del tub{9} Tingueu en compte, però aquesta compensació es veu compensada substancialment per l'autorització de corrosió molt fina que permet G-30 en comparació amb les parets més gruixudes que necessitaria un aliatge menys resistent i més barat.

Font: Dades de propietat física de Haynes International, full de dades de l'aliatge HASTELLOY G-30.

Es tracta d'un autèntic intercanvi d'enginyeria{0}}, no un punt de màrqueting per enlluernar: una paret de tub de ferro de níquel-crom-condueix la calor de manera notablement menys eficient que un aliatge de coure de-gruix comparable o un tub d'acer al carboni, i el disseny tèrmic de l'intercanviador de calor (recompte de tubs, longitud o gruix de paret) transferirà directament la calor{4} per calcular el gruix de la paret. A la pràctica, els dissenyadors d'evaporadors ho compensen aprofitant la resistència a la corrosió de G-30 per especificar una paret de tub més fina que la que requeriria un disseny d'-acer al carboni o d'aliatge- inferior, que recupera parcialment la penalització-de transferència de calor d'una conductivitat més baixa, alhora que ofereix una vida útil de la paret{11}}{11}}{11}{11}{11}{11}{11}{11}{10}} exigiria un subsidi sobre un material menys resistent.

Quins formularis i normes de productes de tubs s'apliquen als tubs de l'evaporador G-30?

El tub de l'evaporador G-30 està disponible tant com a tub sense soldadura sota ASTM/ASME B622/SB622 i com a tub soldat sota ASTM/ASME B619/B626 i SB619/SB626, es subministra mol-recuit i s'ha de tornar a{9}}recuit{10} operació de flexió del tub-que produeix un 7% o més d'allargament de la fibra exterior per restaurar la resistència total a la corrosió.

Font: Taula "Especificacions i codis" de Haynes International, full de dades d'aliatge HASTELLOY G-30.

La temperatura de recuit per a G-30 és de 1.177 graus (2.150 graus F) amb aigua recomanada, tot i que el refredament ràpid d'aire és factible per a estructures de menys de 10 mm (0,375 polzades) -, una categoria que inclou la majoria dels gruixos de paret{11}del tub evaporador. G-30 és més rígid que els acers inoxidables austenítics i s'endureix més fàcilment, cosa que importa directament per a les operacions de flexió i expansió de tubs durant la fabricació de paquets i s'ha de planificar a la seqüència de fabricació.

Quins són el disseny pràctic i els límits de funcionament dels tubs de l'evaporador G-30?

G-30 funciona de manera fiable en tot el rang de concentració de 30-54% de P2O5 i fins a 121 graus en àcid de procés humit-real, però els dissenyadors haurien de tractar la contaminació localitzada de clorur - no la força àcid a granel - com a restricció de disseny rector, i haurien de vigilar específicament la corrosió de les espigues{11} Les dades pròpies de l'àcid clorhídric del G-30 mostren determinades combinacions intermèdies de concentració i temperatura.

La taula d'àcid clorhídric de Haynes International mostra que les taxes de corrosió augmenten bruscament en algunes condicions intermèdies - per exemple, el 2,5% de HCl a 93 graus (200 graus F) salta a 4,23 mm/a i l'ebullició del 2-2,5% de HCl arriba a 9,412 {1{8}} mm/a {1{8}} molt per sobre. les taxes-de bon comportament tant a concentracions més baixes com més altes a prop. Aquest tipus de comportament no monòton és un recordatori que els diagrames d'iso-corrosió i les taules de concentració s'han de llegir a la química àcida local real que s'espera a la paret del tub (incloent-hi els efectes de concentració de l'ebullició o l'evaporació a la superfície), no només la concentració nominal del procés a granel.

• Guia de disseny i funcionament:Feu un seguiment dels nivells d'impureses de clorur i àcid-sulfúric-lliure en l'àcid del procés, ja que aquests - no la concentració nominal de P2O5 - són els que realment provoquen el risc de corrosió del tub.
• Guia de disseny i funcionament:Programeu la neteja i la inspecció mecànica periòdica sota incrustacions i dipòsits, ja que el llindar de corrosió de les esquerdes de G{-30 (25-45 graus en proves accelerades) es pot apropar sempre que la contaminació concentri clorurs localment.
• Guia de disseny i funcionament:Eviteu els dissenys que concentrin l'àcid clorhídric localment en l'interval del 2-3% a temperatura elevada, on les dades pròpies del G-30 mostren un augment desproporcionat de la taxa de corrosió.
• Guia de disseny i funcionament:Quan el transport d'àcid sulfúric sigui inusualment alt o s'acosta regularment al 90% de la concentració a la paret del tub, avalueu l'Aloy 625 o HASTELLOY G-35 com a alternativa més conservadora.
• Guia de disseny i funcionament:Re-recuit els tubs després d'operacions de-format o plegat en fred que superin al voltant del 7% d'allargament de la fibra-exterior per restaurar completament la resistència a la corrosió abans de la posada en funcionament.

Preguntes freqüents

P: Per què s'utilitza Hastelloy G-30 per als tubs d'evaporador d'àcid fosfòric?

A: L'alt contingut de crom de G-30 resisteix el caràcter oxidant de la contaminació de l'àcid fosfòric-humit i l'àcid-nítric, mentre que el seu contingut de molibdè i coure resisteix la impuresa d'àcid sulfúric present en cada corrent-humit del procés. Haynes International anomena els tubs d'evaporador de P2O5 com una de les dues aplicacions principals de l'aliatge, amb el suport tant de proves d'àcid de grau reactiu-com de procés humit real.

P: La resistència a la corrosió del G-30 es manté a la concentració total de P2O5 del 54% utilitzada en evaporadors comercials?

A: Sí. Les dades d'àcid fosfòric en ebullició de grau-reactiu mostren que la taxa de corrosió del G-30 augmenta només gradualment en l'interval de concentració, mantenint-se en l'interval de 0,1-0,2 mm/any al voltant del 54-60% de P2O5 -, dins d'un disseny còmode.

P: Quin és el risc de corrosió més gran per als tubs G-30 en servei d'evaporador?

A: Clorur-corrosió per picades i esquerdes per sota d'escales i dipòsits, atac no uniforme d'àcid sobre una superfície neta. Les proves accelerades estàndard mostren els llindars de corrosió de picadura i escletxes de G-30 a 25-55 graus, per la qual cosa la neteja i la inspecció periòdicas sota contaminació segueixen sent importants independentment de l'opció d'aliatge.

P: Hastelloy G-30 és millor que l'aliatge 625 per als evaporadors d'àcid fosfòric?

A: Depèn de quina impuresa predomini. Les dades comparatives de Haynes International mostren G-30 per davant de 625 en àcid clorhídric, però 625 amb una lleugera avantatge en àcid sulfúric. Quan el transport d'àcid sulfúric és inusualment alt, 625 o HASTELLOY G-35 de crom més alt pot ser l'especificació més conservadora.

P: La soldadura redueix la resistència a la corrosió del G-30 en la fabricació de tubs d'evaporador?

A: Generalment no. Les dades-metall-de soldadura-en comparació amb-forjades mostren només una petita diferència en la majoria de les condicions d'àcid sulfúric i clorhídric rellevants per al servei de l'evaporador, tant el metall de soldadura com el metall base forjat mostren un augment igualat, impulsat per la-química, només en les condicions més severes provades (àcid sulfúric del 90%).

P: Com es compara la conductivitat tèrmica del G-30 amb altres materials de tubs d'intercanviador de calor?

A: La conductivitat tèrmica de G-30 (uns 10 W/m· grau a temperatura ambient) està molt per sota dels aliatges de coure i l'acer al carboni, de manera que l'àrea de transferència de calor-s'ha de dimensionar en conseqüència. A la pràctica, això es compensa en part perquè la resistència a la corrosió del G-30 permet una paret del tub més prima del que necessitaria un aliatge menys resistent per a la mateixa vida útil.